Materiały konstrukcyjne - SiMR PW

advertisement
Maja Burzyńska – Szyszko
Materiały konstrukcyjne
Warszawa 2011
Politechnika Warszawska
Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych
Kierunek studiów "Edukacja techniczno informatyczna"
02-524 Warszawa, ul. Narbutta 84, tel. (22) 849 43 07, (22) 234 83 48
ipbmvr.simr.pw.edu.pl/spin/, e-mail: [email protected]
Opiniodawca: prof. dr hab. inż. Mieczysław KACZOROWSKI
Projekt okładki: Norbert SKUMIAŁ, Stefan TOMASZEK
Projekt układu graficznego tekstu: Grzegorz LINKIEWICZ
Skład tekstu: Janusz BONAROWSKI
Publikacja bezpłatna, przeznaczona dla studentów kierunku studiów
"Edukacja techniczno informatyczna"
Copyright © 2011 Politechnika Warszawska
Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany
ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych,
kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw
autorskich.
ISBN 83-89703-73-4
Druk i oprawa: Drukarnia Expol P. Rybiński, J. Dąbek Spółka Jawna,
87-800 Włocławek, ul. Brzeska 4
Spis treści
Wstęp...................................................................... 5
Wprowadzenie........................................................ 6
1. Wiązania między atomami................................. 9
2. Budowa metali i ich stopów ............................ 13
2.1. Struktura krystaliczna metali ...................................................... 14
2.2. Defekty budowy krystalicznej .................................................... 20
2.3. Struktura stopów metali.............................................................. 27
3. Właściwości mechaniczne materiałów
konstrukcyjnych .............................................. 31
3.1. Gęstość ....................................................................................... 32
3.2. Sztywność - sprężystość ............................................................. 33
3.3. Wytrzymałość statyczna ............................................................. 37
3.4. Wytrzymałość zmęczeniowa ...................................................... 41
3.5. Twardość .................................................................................... 43
3.6. Wiązkość .................................................................................... 44
3.7. Kruchość i ścieralność................................................................ 47
4. Metody umacniania materiałów plastycznych 51
4.1. Umocnienie roztworowe............................................................. 53
4.2. Umocnienie wydzieleniowe ................................................... 54
4.3. Umocnienie przez rozdrobnienie ziarn....................................... 56
4.4. Umocnienie odkształceniowe ..................................................... 57
4.5. Zdrowienie i rekrystalizacja ....................................................... 58
5. Układy równowagi fazowej ............................. 63
5.1. Reguła faz Gibbsa....................................................................... 64
5.2. Dwuskładnikowe układy równowagi ......................................... 66
5.3. Mechanizm i kinetyka przemian fazowych ................................ 78
6. Stopy żelazo – węgiel ...................................... 85
6.1. Układ równowagi żelazo – węgiel.............................................. 86
6.2. Przemiany w stopach żelazo – węgiel ........................................ 95
7. Wpływ węgla i dodatków stopowych
na strukturę i właściwości stopów
układu Fe-C.................................................... 103
8. Obróbka cieplna stopów układu Fe-C............ 121
9. Kształtowanie właściwości warstw
powierzchniowych tworzyw metalowych ..... 133
10. Przemysłowe stopy żelaza ........................... 151
10.1. Klasyfikacja stali .................................................................... 152
10.2. Oznakowanie stali .................................................................. 156
10.3. Przykładowe stale przemysłowe............................................. 164
11. Stopy metali nieżelaznych............................ 179
11.1. Aluminium i jego stopy .......................................................... 180
11.2. Miedź i jej stopy ..................................................................... 191
12. Tworzywa ceramiczne .................................. 199
13. Polimery ....................................................... 225
14. Kompozyty.................................................... 241
15. Literatura...................................................... 261
Wstęp
Niniejsze materiały zostały opracowane w ramach realizacji Programu
Rozwojowego Politechniki Warszawskiej współfinansowanego przez
Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego –
PROGRAM OPERACYJNY KAPITAŁ LUDZKI. Przeznaczone są dla
studentów kierunku „Edukacja techniczno-informatyczna” na Wydziale
Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej.
Swoim zakresem obejmują zagadnienia określone w programie studiów
dla przedmiotu ogólnego pt. „Materiały konstrukcyjne” opisanym w sylabusie opracowanym dla tego przedmiotu. Zawartość merytoryczna programu przedmiotu spełnia wymagania określone w standardach kształcenia Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego dla kierunku „Edukacja
techniczno-informatyczna”.
W szczególności w rozdziałach 1 i 2 przedstawiono zagadnienia związane z budową metali i ich stopów. Rozdział 3 zawiera informacje dotyczące stałych materiałowych określających właściwości mechaniczne
materiałów konstrukcyjnych oraz metod ich wyznaczania. W rozdziałach
5 i 6 omówiono ważniejsze typy układów równowagi oraz mechanizmy
przemian fazowych zachodzących w stopach metali. Rozdziały 3, 7 i 8
zawierają informacje dotyczące kształtowania właściwości stopów metali. Z kolei w rozdziałach 10 i 11 przedstawiono sposoby oznakowania,
właściwości i zastosowania przemysłowych stopów żelaza, aluminium
i miedzi. Kolejne rozdziały zawierają charakterystykę podstawowych
tworzyw niemetalowych odpowiednio rozdział 12 – tworzyw ceramicznych, 13 – polimerów, 14 – kompozytów.
Wprowadzenie
Materiały stosowane we wszystkich specjalnosciach inzynierskich sa
jednym z podstawowych, cywilizacyjnych bogactw ludzkosci. Rozwój
materiałów w dużej mierze decydował i nadal decyduje o rozwoju naszej
cywilizacji. Potwierdzeniem tego są nazwy epok historycznych
utworzone od nazw ówcześnie stosowanych materiałów np. epoka
kamienia, brązu, żelaza. Rodzaj użytego materiału wpływał na funkcje
użytkowe wytwarzanych przedmiotów (narzędzi, broni itp.), a tym samy
na warunki życia i jego rozwój. Zawansowane materiały pozwalały na
realizację najbardziej śmiałych pomysłów związanych choćby z chęcią
opanowania przestworzy. Rozwój lekkich stopów aluminium i ich
technologii przetwarzania umożliwił wprowadzenie nowych konstrukcji
na poszycia samolotów, a opracowanie żarowytrzymałych stopów na
bazie niklu umożliwiło wyprodukowanie silników odrzutowych o
odpowiedniej trwałości. Gdyby nie materiały nowej generacji nadal na
naszych półkach stałyby lampowe odbiornik radiowe, a rozwój
komputerów osobistych nie byłyby możliwy. Szczególne znaczenie
materiałów wynika z faktu, że zwiększają one dostęp człowieka do
energii i informacji. Niestety obecnie zafascynowani funkcjami
użytkowymi produkowanych urządzeń często zapominamy, że jednym z
podstawowych czynników postępu jest rozwój materiałów.
Na przestrzeni kilkudziesięciu ostatnich lat nastąpił gwałtowny rozwój
w dziedzinie materiałów. Ogromna liczba współcześnie stosowanych
materiałów konstrukcyjnych stawia nowe wymagania przed inżynierami.
Muszą oni znać całe spektrum materiałów oraz ich potencjalne zastosowania, aby w sposób optymalny, wykorzystać je w konstrukcjach. Zaprojektowana, a następnie wykonana konstrukcja powinna odpowiadać
wymaganiom eksploatacyjnym, ekonomicznym i technologicznym. Konstruktor wykonując projekt powinien dokonać pełnej analizy materiałów,
biorąc pod uwagę ich własności mechaniczne, cenę oraz cechy technologiczne. Dlatego też do prawidłowego doboru materiałów konieczne jest
poznanie i zrozumienie: metod kształtowania właściwości materiałów,
podstawach stałych materiałowych określających ich cechy, zmian właściwości zachodzących w wyniku kształtowania, łączenia i obróbki końcowej materiału oraz ograniczeń w ich stosowaniu.
Podstawowa klasyfikacja, (rysunek 0.1) współczesnych materiałów
oparta jest na charakterze dominującego wiązania między atomami lub
cząstkami, zgodnie z którym dzielą się one na:
•
metale i stopy metali - wiązanie metaliczne,
•
ceramikę - wiązanie kowalencyjne lub jonowe,
•
polimery - wiązanie kowalencyjne w obrębie makrocząsteczek i siły Van der Waalsa między makrocząsteczkami.
Dodatkową grupę stanowią kompozyty, które są utworzone, z co najmniej dwóch komponentów o różnych właściwościach i wykazują lepsze
właściwości niż każdy ze składników oddzielnie lub ich mieszanina.
Rysunek 0.1. Klasyfikacja materiałów inżynierskich
Strona 7
1
Wiązania między
atomami
W tym rozdziale:
o
o
Wiązania pierwotne
Wiązania wtórne (międzycząsteczkowe)
ROZDZIAŁ 1
1.1. Wiązania między atomami
Wytrzymałość materiałów konstrukcyjnych zależna jest od wielkości sił
utrzymujących atomy razem, czyli od rodzaju wiązań międzyatomowych
oraz sposobu rozmieszczenia atomów w przestrzeni.
Wiązania pierwotne
Do wiązań pierwotnych między atomami zaliczamy:
•
wiązania kowalencyjne (atomowe),
•
wiązania jonowe,
•
wiązania metaliczne.
Wiązanie kowalencyjne – Istotą tego wiązania jest uwspólnienie elektronów walencyjnych dla obu atomów tworzących to wiązanie. Może
ono powstawać między atomami, w których powłoka walencyjna jest zapełniona przynajmniej w połowie. Są one wiązaniami zorientowanymi,
co powoduje, że kąty między nimi zależą od liczby oraz rodzaju
elektronów tworzących to wiązanie. Wiązanie to charakteryzuje się
największą sztywnością i występuje w diamencie oraz większości
materiałów ceramicznych, które są bardzo twarde i kruche.
Wiązanie jonowe – Istotą tego wiązania jest elektrostatyczne oddziaływanie między jonami o różnoimiennych ładunkach, dzięki czemu przyciągają się one elektrostatycznie na zasadzie sił Coulomba. Wiązanie to
powstaje między atomami, z których jeden ma niewielką liczbę elektronów walencyjnych i oddaje je drugiemu, który ma powłokę walencyjną
prawie całkowicie zapełnioną. W wyniku tego powstają odpowiednio jon
dodani i ujemy. Wiązanie to powstaje najczęściej między metalem
a niemetalem.
Wiązanie metaliczne – istotą tego wiązania są elektrostatyczne przyciągania między jądrami atomowymi i swobodnie poruszającymi się elektronami pochodzącymi z zewnętrznych powłok elektronowych atomów.
Spójność metalu utrzymywana jest przez siły przyciągające między dodatnimi jonami i elektronami, a jony utrzymywane są w określonych
położeniach dzięki występującym między nimi siłom odpychającym.
Strona 10
WIĄZANIA MIĘDZY ATOMAMI
Wiązania metaliczne powstaje pomiędzy atomami metalu w stanie
stałym.
Wiązania wtórne
Do wiązań wtórnych zaliczamy:
•
wiązania siłami van der Waalsa,
•
wiązania wodorowe.
Wiązania siłami van der Waalsa – Istotą tego wiązania jest dipolowe
przyciąganie pomiędzy atomami lub cząsteczkami obojętnymi elektrycznie. W wyniku ciągłego ruchu elektronów walencyjnych gęstość ładunku
ujemnego na zewnętrznej powłoce atomu ulega szybkim fluktuacjom,
powodując chwilowe asymetryczne rozkłady ładunku względem jądra.
W wyniku tego powstaje szybkozmienny dipol, który indukuje podobny
moment dipolowy w sąsiednim atomie. Dipole przyciągają się zwiększając, w miarę zbliżania się, wzajemną polaryzację elektronową. Siły
van der Waalsa są stosunkowo słabe, kilkanaście razy słabsze od sił
wiązań pierwotnych. Wiązania siłami van der Waalsa występują w polimerach, jako połączenia między łańcuchami.
Wiązania wodorowe – Istotą wiązania wodorowego jest oddziaływanie
między spolaryzowanymi cząsteczkami. Jest to rodzaj stosunkowo
słabego wiązania chemicznego polegającego głównie na przyciąganiu
elektrostatycznym między atomem wodoru i atomem elektroujemnym
zawierającym wolne pary elektronowe. Przykładem takiego wiązania są
wiązania między cząsteczkami wody. Elektroujemny atom tlenu silnie
przyciąga elektrony wiązania, co powoduje, że atom wodoru uzyskuje
ładunek dodatni. Tak przegrupowane ładunki prowadzą do powstania
momentu dipolowego w każdej cząsteczce wody, co z kolei powoduje
ich przyciąganie.
W materiałach odzwierciedleniem dużych wartości sił międzyatomowych w wiązaniach jest wysoka:
1
•
temperatura topnienia,
•
sztywność,1
Sztywność – naprężenie konieczne do uzyskania jednostkowego odkształcenia.
Strona 11
ROZDZIAŁ 1
•
sprężystość,1
•
i twardość materiału.
Rodzaj materiału
Ceramika
Polimery
Metale
1
Strona 12
Wiązania chemiczne
Kowalencyjne
i jonowe
Kowalencyjne
i van der Waalsa
Metaliczne
Bardzo silne
Bardzo silne
Bardzo silne
Bardzo słabe
Silne
Sprężystość – fizyczna właściwość ciał materialnych do odzyskiwania pierwotnego
kształtu i wymiarów po usunięciu sił zewnętrznych wywołujących odkształcenie
sprężyste.
`
2
Budowa metali
i ich stopów
W tym rozdziale:
o
o
o
Struktura krystaliczna metali
Defekty struktury krystalicznej
Struktura stopów metali
ROZDZIAŁ 2
2.1. Struktura krystaliczna
metali
Materiały metaliczne
Jak wspomniano, metale zbudowane są z dodatnich jonów (rdzeni atomowych) i swobodnie poruszających się elektronów. Gaz elektronowy
tworzy rodzaj „spoiwa” przenikającego przestrzeń między rdzeniami
atomowymi (jony dodatnie), które przez oddziaływanie elektrostatyczne
„wciąga" w siebie dodatnie jony, dążąc do jak najgęstszego wypełnienia
przestrzeni.
Wiązanie metaliczne:
•
niekierunkowe gęste upakowanie atomów duża
gęstość plastyczność,
•
szeroki zakres energii wiązania metalicznego (200÷800 kJ/mol) duży zakres temperatury topnienia
(gal 30°C, wolfram 3695°C), szeroki zakres twardości
i wytrzymałości mechanicznej.
•
gaz elektronowy ruchliwe elektrony duże przewodnictwo elektryczne i cieplne łatwość tworzenia kationów ŕ
podatność na korozję.
Wynikiem działania sił międzyatomowych jest charakterystyczna krystaliczna struktura metali.
Rysunek 2.1. Struktura krystaliczna i amorficzna
Strona 14
BUDOWA METALI I ICH STOPÓW
Kryształem jest fizycznie i chemicznie jednorodne i anizotropowe ciało
stałe o prawidłowo (okresowo) powtarzającym się w trzech wymiarach
rozmieszczeniu atomów, jonów lub cząsteczek, czyli ciało wykazujące
określony (tzw. translacyjny) porządek dalekiego zasięgu.
Metale w stanie stałym mają budowę krystaliczną, która charakteryzuje
się ściśle określonym rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. Ponieważ
atomy metali w stanie stałym dążą do jak najgęstszego zapełnia przestrzeni, liczba wariantów rozmieszczenia atomów jest ograniczona.
Istnieją dwa sposoby ułożenia warstw atomowych tworzących zwartą
strukturę krystaliczną:
Rysunek 2.2. Ułożenie atomów w zwartych strukturach krystalicznych
(AB) i (ABC): a) pierwsza warstwa (A), b) druga warstwa (B) – atomy
ułożone w lukach warstwy pierwszej. c) trzecia warstwa atomów ma dwa
możliwe ułożenia atomów A – atomy trzeciej warstwy są nad atomami
pierwszej, co daje układ atomów (ABAB), C – atomy trzeciej warstwy
ułożone w lukach, co daje układ atomów (ABC)
Wiele spośród znanych powszechnie metali krystalizuje, tworząc struktury zwarte ABC –Al, Cu, Ni, lub ABAB Mg, Zn i Ti.
Każdy metal krystalizuje w takim układzie atomów, który
zapewnia mu najmniejszą energię wewnętrzną.
Uporządkowanie dalekiego zasięgu atomów najłatwiej przedstawić
w postaci schematów przestrzennych zwanych komórkami elementarnymi sieci przestrzennej.
Sieć przestrzenna
•
Węzeł i trzy wektory translacji tworzą sieć przestrzenną.
•
Równoległościan mający te wektory za krawędzie jest najmniejszym elementem tworzącym sieć przestrzenną – komórką elementarną sieci przestrzennej.
•
Sieć przestrzenną można otrzymać przez translację komórki
sieciowej dowolną liczbę razy w trzech kierunkach.
Strona 15
ROZDZIAŁ 2
Wszystkie możliwe sieci przestrzenne określone są przez siedem układów współrzędnych zwanych układami krystalograficznymi. Jeśli
uwzględnimy możliwe centrowanie komórki elementarnej, to okazuje
się, że w przestrzeni trójwymiarowej jest możliwych tylko 14 typów
(rodzajów) sieci przestrzennych zwanych sieciami Bravais’go, definiujących całkowicie powtarzalność charakterystycznych cech kryształu bez
odnoszenia się do szczegółów struktury. Najprostszym typem komórki
elementarnej jest komórka regularna prosta przedstawiona na rysunku 2.3, której wielkość określa parametr sieci (a). Parametr sieci dla
każdego metalu ma charakterystyczną, określoną wielkość.
Symbole węzłów
Dowolny węzeł sieci obieramy jako początek układu współrzędnych
(000).
Kierunki translacji, czyli kierunki trzech przecinających się krawędzi
komórki sieciowej, przyjmujemy za osie układu współrzędnych (XYZ).
Położenie węzła znajdującego się w narożu komórki sieciowej określają
współrzędne x=ma, y = nb, z = pc.
a, b, c – odległości translacyjne w kierunkach osi współrzędnych,
m, n, p – liczby całkowite.
Większość metali odznacza się jedną z trzech struktur krystalograficznych:
A1 (RSC) regularną ściennie centrowaną,
A2 (RPC) regularną przestrzennie centrowaną,
A3 (HZ) heksagonalną zwartą.
Rysunek. 2.3. Komórka sieciowa ze współrzędnymi punktów
Strona 16
BUDOWA METALI I ICH STOPÓW
Komórkę elementarną sieci przestrzennej charakteryzują następujące
wielkości:
Liczba koordynacyjna (lk). Określa liczbę najbliższych i równoodległych atomów od dowolnego atomu sieci. Odpowiada ona liczbie
wiązań atomu, czyli stanowi energetyczną miarę trwałości struktury
krystalicznej.
Liczba atomów (la) przypadająca na komórkę elementarną. Określa
wielkość charakteryzującą w pewien sposób wielkość komórki zasadniczej.
Wypełnienie komórki elementarnej (Wk). Jest to stosunek objętości
atomów do objętości komórki zasadniczej, charakteryzujący gęstość
atomową struktury krystalicznej.
Sieć regularna przestrzennie centrowana A2 (RPC)
Rysunek 2.4. Układ atomów (a) i schemat (b) elementarnej komórki
regularnej przestrzennie centrowanej oraz c) parametry komórki
Sieć HZ występuje między innymi w takich metalach jak:
Feα, Tiβ, Zrβ, W, Cr, Mo, V.
Sieć heksagonalna zwarta A3 (HZ)
Struktura zwarta tupu ABAB: lk = 12, la = 12, Wk = 74%
Strona 17
ROZDZIAŁ 2
Rysunek 2.5. Układ atomów (a) i schemat (b) elementarnej komórki
heksagonalnej zwartej przestrzennie centrowanej
Sieć RSC występuje między innymi w takich metalach jak:
Tiα, Niα, Coα, Zn, Mg, Be
Sieć regularna ściennie centrowana A1 (RSC)
Struktura zwarta typu ABCABC
Rysunek 2.6. Układ atomów (a) i schemat (b) elementarnej komórki
regularnej ściennie centrowanej oraz c) parametry komórki.
Sieć RSC występuje między innymi w takich metalach jak:
Feγ, Niβ, Coβ, Cu, Au, Ag, Pb, Al.
Strona 18
BUDOWA METALI I ICH STOPÓW
Polimorfizm
Niektóre substancje, w tym również metale, zależnie od temperatury
i ciśnienia występują w odmianach różniących się budową krystaliczną.
Zjawisko to nazywa się polimorfizmem1. Zasadniczym czynnikiem wywołującym przemiany alotropowe jest zmiana temperatury.
•
Tiα (HZ) 880°C Tiβ (RPC)
•
Zrα (HZ) 865°C -Zrβ (RPC)
•
Feα (RPC) 910°C Feγ (RSC) 1400°C Feα (RPC)
Z polimorfizmem związane jest prawo stałości typu i prawo polimorfii.
Prawo stałości typu. Substancje zdefiniowane pod względem fizycznym i chemicznym (o tych samych właściwościach i składzie chemicznym) mają zawsze ten sam typ sieci niezależnie od pochodzenia czy
sposobu otrzymywania.
Prawo polimorfii. Substancje o tym samym składzie chemicznym, lecz
wykazujące różnice właściwości fizycznych, mają zawsze odmienne
typy sieci krystalograficznej.
Wynika z tego, że zmiana ułożenia atomów w sieci krystalicznej, skutkuje zmianą mechanicznych (wytrzymałość, plastyczność, twardość),
fizycznych (przewodność elektryczna) i chemicznych (odporność na
korozję) właściwości metalu.
Anizotropia
Właściwości pojedynczych kryształów zmieniają się w zależności od
kierunku badania. Zmiana właściwości kryształu w zależności od kierunku krystalograficznego wiąże się z różną gęstością ułożenia atomów we
wszystkich płaszczyznach i kierunkach sieci krystalicznej. Zjawisko to
nosi nazwę anizotropii. Przykładowo wg [1] monokryształ żelaza α
o strukturze RPC charakteryzuje się wartością współczynnika sprężystości wzdłużnej (stała materiałowa określająca sztywność i sprężystość materiału) E =1,3 x 105 ÷ 2,9 x 105 MPa, zależnie od kierunku
badania. To samo żelazo o budowie polikrystalicznej wykazuje wartość
E = 2,1 x 105 MPa.
1
Polimorfizm – możliwość występowania tego samego pierwiastka w różnych sieciach
krystalograficznych, zwanych odmianami alotropowymi
Strona 19
ROZDZIAŁ 2
Do typowych właściwości anizotropowych należą między innymi: wytrzymałość, sztywność, sprężystość, twardość i wydłużenie.
Anizotropia właściwości kryształów dotyczy monokryształów. W materiałach polikrystalicznych w stanie lanym poszczególne ziarna wykazują
różną orientację krystalograficzną, co przy dużej ilości ziaren dowolnie
zorientowanych powoduje, że właściwości metalu w różnych kierunkach
są takie same, czyli materiał jest izotropowy.
2.2. Defekty budowy
krystalicznej
Budowa rzeczywista ciał krystalicznych znacznie odbiega od idealnego
wzorca sieci krystalicznej. Wszelkie wady struktury krystalicznej nazywane są defektami. Defekty mają istotny wpływ na właściwości fizyczne
i mechaniczne metali:
•
nie potrafimy ich uniknąć, aby osiągnąć teoretyczne (kryształ bez defektów) właściwości kryształu, ale
•
wywołujemy je celowo przez tworzenie stopów, obróbkę
cieplną, techniki wytwarzania, aby otrzymać określone właściwości materiału.
Tajemnica właściwości materiałów tkwi w rodzaju wiązań między atomami oraz w możliwości powstawania i ruchu defektów w strukturze
tych materiałów.
Czynnikami, które kształtują strukturę krystaliczną ciał polikrystalicznych są:
•
sposób i warunki, w jakich odbywa się krystalizacja z fazy
ciekłej,
•
ilość i rodzaj domieszek i dodatków stopowych, czyli skład
atomowy ciała stałego,
•
obróbka cieplna i mechaniczna, itp.
Większość materiałów inżynierskich charakteryzuje się budową polikrystaliczną, czyli złożone są one z bardzo wielu kryształów zorientoStrona 20
BUDOWA METALI I ICH STOPÓW
wanych pod różnymi kątami i oddzielonych od siebie obszarami nazywanymi granicami ziaren.
Związane jest to z procesem krystalizacji, który przebiega dwuetapowo:
•
powstanie w cieczy obszarów, w których występuje uporządkowanie atomów, czyli zarodków krystalizacji; zarodki
muszą osiągnąć pewną krytyczną wielkość, aby możliwy był
ich dalszy rozrost,
•
zwiększenie objętości fazy stałej przez przyłączanie do niej
atomów z cieczy.
Aby przemiana przejścia z fazy ciekłej do stałej mogła się rozpocząć,
musi wystąpić zmniejszenie energii swobodnej układu. Siła napędowa
przemiany zależy od przechłodzenia cieczy, czyli różnicy między równowagową temperaturą krystalizacji a rzeczywistą temperaturą, w której
zachodzi przemiana. Wzrost kryształów jest ograniczony sąsiedztwem
innych kryształów. Przy zetknięciu się dwóch sąsiadujących kryształów
tworzy się między nimi granica ziaren w sposób umożliwiający osiągnięcie orientacji zapewniającej minimum energii.
Rysunek 2.7. Schematy: a) zarodków krystalizacji, b) wzrostu objętości
fazy stałej, c) granic ziaren, d) orientacji krystalograficznej
w poszczególnych ziarnach
Granice ziaren tworzą powierzchniowe defekty struktury krystalograficznej i są wąską strefą materiału o szerokości 2÷3 średnic atomowych,.
oddzielającą obszary materiału o tej samej strukturze krystalograficznej
i o tym samym składzie chemicznym, różniące się orientacją
w przestrzeni. Ze względu na kąt dezorientacji dzielimy je na:
•
szerokokątowe, gdy kąt między kierunkami krystalograficznymi po obu stronach granicy jest większy od 15°,
•
wąskokątowe, gdy kat dezorientacji jest mniejszy od 15°.
Strona 21
ROZDZIAŁ 2
Rysunek 2.8. Schemat zaburzenia struktury krystalicznej na granicy
ziaren oraz kąta dezorientacji struktury krystalograficznej
Granice międzyfazowe oddzielają w ziarnie obszary o różnej strukturze
krystalograficznej i/ lub różnym składzie chemicznym. Dzielimy je na:
•
koherentne – atomy granicy jednej fazy są wspólnymi
atomami granicy drugiej fazy,
•
półkoherentne,
•
niekoherentne.
W pojedynczych ziarnach struktury krystalograficznej mogą również
występować defekty, ze względu na cechy geometryczne dzielimy je na
punktowe i liniowe.
Defekty punktowe – mają niewielkie wymiary i są wynikiem drgań
cieplnych sieci krystalicznej oraz działania sił zewnętrznych, którym
podlegają atomy w sieci. Najprostszym defektem punktowym jest
wakans – brak atomu w węźle sieci krystalicznej.
Rysunek 2.9. Defekty punktowe struktury krystalograficznej:
a) wakans, b) atom międzywęzłowy
Powoduje to zniekształcenie sieci krystalicznej i pojawienie się pola
naprężeń rozciągających.
Liczba wakansów w strukturze jest zależna od temperatury. W danej
temperaturze ustala się równowagowa koncentracja Nv wakansów
zgodnie z równaniem:
Strona 22
BUDOWA METALI I ICH STOPÓW
Nν =
n
Q
≈ A exp(− ν )
N
kT
gdzie:
n – liczba wakansów,
N – liczba atomów,
Qn – energia tworzenia wakansu [J],
k – stała Boltzmanna [k = 13,8 10 –24 J/K],
T – temperatura bezwzględna [K].
Dzięki drganiom cieplnym wakanse przemieszczają się w kryształach
i są odpowiedzialne za mechanizm dyfuzji w stanie stałym.
Przy określonej amplitudzie drgań cieplnych mogą powstać jednocześnie
dwa defekty wakans i atom międzywęzłowy (defekt Frenkla) – atom
opuszcza swoją pozycję i zajmuje położenie międzywęzłowe. Sytuacja ta
jest możliwa jedynie w strukturach, w których odległości miedzy atomami są na tyle duże, że atom wytrącony może zająć pozycję międzywęzłową. W przypadku struktur o zwartych sieciach krystalicznych, tworzenie
defektu punktowego związane jest z utworzeniem wakansu i wywędrowaniem atomu wytrąconego z pozycji węzłowej na powierzchnię kryształu (defekt Schottky’ego).
Punktowe defekty sieci krystalicznej tworzą również występujące w niej
obce atomy. Powoduje to również zniekształcenie sieci krystalicznej
i powstanie naprężeń ściskających lub rozciągających.
Rysunek 2.10. Defekty punktowe struktury krystalograficznej wywołane
obcymi atomami: a) atom międzywęzłowy. b) i c) atomy węzłowe
Defekty liniowe – są to defekty budowy krystalicznej, które w jednym
kierunku mają wymiar kilku odległości międzyatomowych, a w drugim
– wymiar zbliżony do wymiaru ziarna. Zalicza się do nich dyslokacje
krawędziowe, śrubowe i mieszane. Dyslokacje powstają w procesie
krzepnięcia, a także podczas obróbki plastycznej.
Strona 23
ROZDZIAŁ 2
Dyslokacja krawędziowa jest zaburzeniem sieciowym struktury kryształu powstającym wskutek utworzenia się dodatkowej półpłaszczyzny,
zwanej ekstrapłaszczyzną. Miarą tego zaburzenia jest wektor Burgersa.
W zależności od położenia ekstrapłaszczyzny wyróżniamy dyslokacje
krawędziowe dodatnie (dodatkowa płaszczyzna jest nad płaszczyzną
poślizgu) i ujemne (z ekstrapłaszczyzną pod płaszczyzną poślizgu). Dyslokacje jednoimienne odpychają się, natomiast różnoimienne przyciągają
i jeśli leżą w jednej płaszczyźnie poślizgu następuje ich anihilacja.
Rysunek 2.11. Model i rozkład atomów w płaszczyźnie prostopadłej
do linii dyslokacji krawędziowej dodatniej
Dyslokacja krawędziowa przemieszcza się po ściśle określonej płaszczyźnie poślizgu w kierunku działającego naprężenia stycznego, równolegle
do wektora Burgersa, w wyniku czego następuje przemieszczenie części
kryształu wzdłuż określonej płaszczyzny krystalograficznej. Dyslokacje
przemieszczają się najczęściej po płaszczyznach i w kierunkach krystalograficznych najgęstszego ułożenia atomów. Płaszczyzna krystalograficzna najgęściej upakowana atomami, po której porusza się dyslokacja
i kierunek najgęściej obsadzony atomami w niej leżący, wzdłuż którego
dyslokacja się porusza – tworzą system łatwego poślizgu. Liczba systemów poślizgu struktury krystalograficznej wpływa na właściwości
plastyczne metali.
Rysunek 2.12. Płaszczyzna i kierunki gęstego upakowania atomów
w strukturze RSC
Strona 24
BUDOWA METALI I ICH STOPÓW
Ruch dyslokacji powoduje odkształcenie plastyczne1 – przesuniecie jednej części kryształu względem drugiej o jedną odległości międzyatomową. Przy ruchu dyslokacji wiązania międzyatomowe są zrywane jedynie
w pobliżu dyslokacji, a po jej przejściu natychmiast odnawiane, dlatego
naprężenie niezbędne do tego, aby dyslokacja „przesunęła” się przez
kryształ i wyszła na powierzchnię jest znacznie mniejsze niż przy
sztywnym przesunięciu obu części kryształu.
Rysunek 2.13. Model mechanizmu odkształcenia plastycznego przy
braku dyslokacji w strukturze krystalograficznej
Naprężenie teoretyczne potrzebne do zrealizowania przemieszczenia jednej części kryształu względem drugiej przy braku dyslokacji w strukturze, czyli przy założeniu przezwyciężenia siły wiązań atomowych na całej płaszczyźnie poślizgu, jest 102 ÷ 104 razy większe od naprężeń powodujących poślizg dyslokacji.
Efekt, jaki dyslokacja wywołuje w materiale, można porównać do tego,
jak porusza się gąsienica, która ma za mało siły, aby unieść w marszu
ciężar całego swojego ciała, opracowała, więc technikę polegającą na
unoszenie jedynie jego fragmentów. Jest to sposób marszu wymagający
znacznie mniejszego wysiłku. Kolejne stadia przemieszczania się dyslokacji przestawiono na rysunku 2.14.
1
Odkształcenie plastyczne – odkształcenie, które nie ustępuje po usunięciu naprężenia,
które je wywołało
Strona 25
ROZDZIAŁ 2
Rysunek. 2.14. Kolejne etapy przemieszczania się dyslokacji
krawędziowej
Dyslokacje krawędziowe mogą się też przemieszczać w krysztale poprzez wspinanie. Jest to dyfuzyjny ruch atomów ekstrapłaszczyzny do
wakansów powodujący skracanie dyslokacji (rysunek 2.15) lub też dołączanie atomów do dodatkowej półpłaszczyzny powodujące wydłużenie
dyslokacji. Wspinanie zachodzi w temperaturach większych od 0,5 Ttop.
Rysunek 2.15. Mechanizm wspinania dyslokacji krawędziowej
Dyslokacja śrubowa jest również zaburzeniem sieciowym struktury kryształu powstałym w wyniku przesunięcia jednej części kryształu względem drugiej o jedną odległość międzyatomową, w wyniku czego płaszczyzny atomowe prostopadłe do linii dyslokacji tworzą powierzchnię
śrubową, której osią jest dyslokacja.
Rysunek 2.16. Model dyslokacji śrubowej
Strona 26
BUDOWA METALI I ICH STOPÓW
Dyslokacje śrubowe mogą przemieszczać się tylko przez poślizg, ale
ze względu na możliwość poślizgu poprzecznego ich ruch nie jest ograniczony tylko do jednej płaszczyzny poślizgu.
Przedstawiony opis prostych typów dyslokacji występuje rzadko w kryształach. W rzeczywistości powstają dyslokacje mieszane będące kombinacją dyslokacji krawędziowych i śrubowych, linie ich mają bardzo
złożoną i nieregularną budowę, tworzą pętle i skupiska.
Dyslokacje, powodując zniekształcenie sieci krystalicznej, wytwarzają
wokół siebie pola naprężeń rozciągających lub ściskających.
Defekty liniowe pod wpływem naprężeń zewnętrznych i w zależności od
sposobu rozmieszczenia mogą w krysztale:
•
poruszać się po płaszczyznach poślizgu,
•
powstawać i zanikać,
•
rozpadać się i łączyć,
•
rozgałęziać i zakotwiczać.
Dyslokacje, przemieszczając się poprzez kryształ, napotykają na swej
drodze szereg przeszkód (np. obce atomy, wydzielenia faz, itp.), które
utrudniają ich ruch. Dyslokacja, napotkawszy np. defekt punktowy,
„zaczepia się” o niego i nie może przemieszczać się dalej. Przeszkodę tę
może pokonać albo na drodze fluktuacji termicznych lub pod wpływem
przyłożonego naprężenia zewnętrznego. Naprężenia potrzebne do uruchomienia dyslokacji są tym większe, im mniejsze są odległości między
występującymi w krysztale przeszkodami.
2.3. Struktura stopów metali
W zależności od stężenia dodatków stopowych oraz parametrów technologicznych wytwarzania, w stanie stałym mogą występować następujące
fazy :
•
czyste metale (brak wzajemnej rozpuszczalności w fazie
stałej),
•
jednorodne roztwory stałe,
Strona 27
ROZDZIAŁ 2
•
fazy międzymetaliczne, międzywęzłowe i o złożonej strukturze.
Jednorodne roztwory stałe
Dodatki stopowe rozpuszczają się w sieci danego metalu, tworząc roztwór stały, przy czym rozpuszczalność poszczególnych składników może zmieniać się w zakresie od mniej niż 0,01 do 100%
Roztwory stałe (jednorodna faza o wiązaniu metalicznym) powstają, gdy
w skład sieci krystalicznej czystego składnika wchodzą atomy domieszki. Po dodaniu składnika rozpuszczanego struktura krystaliczna rozpuszczalnika pozostaje niezmieniona. W zależności od rozmieszczenia atomów domieszek w sieci krystalicznej rozpuszczalnika mogą powstawać
roztwory różnowęzłowe lub międzywęzłowe.
Zgodnie z tzw. regułami Hume'a i Rothery'ego, tworzeniu roztworów
stałych sprzyjają:
•
podobne promienie atomowe (do 15% różnicy),
•
ten sam typ struktury krystalicznej,
•
podobna elektroujemność (przy dużych różnicach tendencja
do tworzenia faz międzymetalicznych),
•
jednakowa wartościowość.
Przy zachowaniu wymienionych warunków mogą tworzyć się roztwory
ciągłe o nieograniczonej wzajemnej rozpuszczalności składników (rozpuszczalności do 100%). Jeśli jeden z warunków nie zostaje spełniony,
uzyskujemy roztwory graniczne o ograniczonej rozpuszczalności.
Tabela 2.1 Przykładowe roztwory stałe w niklu (Ni (II) struktura RSC)
w zależności od warunków Hume'a i Rothery'ego
Strona 28
Graniczna
rozpuszczalność
Roztwór ciągły
100%
Metal
∆r [%]
Sieć
∆ elektroujemności
Wartościowość
Cu
2
RSC
0
II
Al
14
RSC
0,3
III
Roztwór graniczny
do 22%
Ag
16
RSC
0
I
Roztwór graniczny
do 2%
Ca
58
RSC
0,9
II
Brak
rozpuszczalności
BUDOWA METALI I ICH STOPÓW
Roztwór międzywęzłowy tworzą małe atomy (węgiel, bor, i większość
gazów) rozmieszczone przypadkowo w lukach między większymi atomami (metale przejściowe). Roztwory te mają rozpuszczalność ograniczoną do kilku procent. Ich struktura ma bardzo istotny wpływ na
właściwości stopu (przykładowo Fe – C)
Rysunek 2.17. Model roztworu międzywęzłowego
Rysunek 2.18. Modele roztworów różnowęzłowych – rozmieszczenie
atomów rozpuszczonych: a) przypadkowe, b) uporządkowane
(nadstruktura), c) tworzenie skupień (klasterów)
W roztworach różnowęzłowych atomy rozpuszczone zajmują pozycje
w węzłach sieci krystalicznej pierwiastka macierzystego (rysunek 2.18).
Wprowadzenie do sieci krystalicznej obcych atomów powoduje jej deformację (defekty punktowe rysunek 2.10), a tym samym wprowadzenie
do sieci naprężeń ściskających lub rozciągających.
Fazy międzymetaliczne, międzywęzłowe i o złożonej strukturze
Fazy międzymetaliczne są tworzone przez metale (M1, M2) i mają inną
strukturę niż czyste składniki, które ją tworzą oraz określone rozmieszczenie składników w węzłach sieci krystalicznej. Do faz międzymetalicznych zaliczamy między innymi CuZn3, MgCu2, Al2Cu. Zapis stechiometryczny faz określa udział atomów w komórce elementarnej sieci
krystalicznej. Niejednokrotnie fazy te powstają w szerszym zakresie
stężeń, posiadają strukturę fazy międzymetalicznej, ale węzły sieci nie są
Strona 29
ROZDZIAŁ 2
w pełni obsadzone atomami obydwu składników. Faza międzymetaliczna wykazująca różnice w stosunku do składu stechiometrycznego nazywana jest wtórnym roztworem stałym.
Do faz międzywęzłowych i o złożonej strukturze zaliczamy fazy,
w skład których wchodzi metal przejściowy (M) oraz niemetal (X). Są to
borki, wodorki, węgliki i azotki. W strukturze krystalicznej węzły sieci
obsadzone są atomami metali, a przestrzenie międzywęzłowe atomami
niemetali. Związki te są bardzo twarde i kruche oraz wykazują przewodnictwo elektryczne.
Fazy międzywęzłowe powstają, gdy stosunek promieni atomowych
atomów międzywęzłowych (niemetali) do promienia atomów w węzłach
sieci (metalu) jest ≤ 0,59 i można je przedstawić ogólnymi wzorami
M4X, M2X, MX, MX2. Przykładowo Fe4N, Fe2N, TiN.
Fazy o złożonej strukturze powstają, gdy rX/rM > 0,59. Na przykład Fe3C.
Fazy te ze względu na swoje właściwości mają istotne znaczenie przy
zwiększaniu wytrzymałości stopów.
Strona 30
`
3
Właściwości
mechaniczne
materiałów
konstrukcyjnych
W tym rozdziale:
o
o
o
o
o
o
o
Gęstość
Sztywność – sprężystość
Wytrzymałość statyczna
Wytrzymałość zmęczeniowa
Twardość
Wiązkość
Kruchość i ścieralność
ROZDZIAŁ 3
3.1. Gęstość
Gęstość (masa właściwa) – masa jednostki objętości, dla substancji
jednorodnych określana, jako stosunek masy m do objętości V:
ρ=
m  Mg 
V  m3 
Gęstość jest cechą charakterystyczną materiału i w określonych warunkach standardowych stanowi jedną z najważniejszych cech materiału
konstrukcyjnego – służy do obliczania masy i ciężaru określonej objętości materiału.
Gęstość materiału (substancji) zależna jest od rodzaju atomów, z jakiego
jest on zbudowany oraz sposobu ich rozmieszczenia w przestrzeni.
Tabela 3.1 Gęstości wybranych materiałów
Materiał
Węglik wolframu
Molibden i jego stopy
14 – 17
10 – 13,7
Miedź
8,9
Żelazo
7,9
Stal
7,5 – 7,8
Tytan
4,5
Tlenek aluminium
3,9
Aluminium
2,7
Szkło kwarcowe
2,6
Włókna węglowe
2,2
Grafit
1,8
Polistyren
Strona 32
Gęstość [Mg/m3]
1 – 1.1
Drewno
0,4 – 0,8
Pianki poliuretanowe
0,06 – 0,2
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
3.2. Sztywność - sprężystość
Aby określić stałą materiałową określającą sztywność i sprężystość
materiałów konstrukcyjnych zdefiniujmy pojęcie naprężenia i odkształcenia.
Jeśli do sześciennej próbki przyłożymy siłę P to działa ona jednakowo
we wszystkich przekrojach próbki równolegle i prostopadle do jej
powierzchni (próbka jest w stanie naprężonym). Wartość naprężenia jest
określona, jako iloraz siły i przekroju próbki. Odpowiednio, siła normalna do powierzchni (N) powoduje pojawienie się w próbce naprężenia
rozciągającego, a siła równoległa do powierzchni powoduje naprężania
ścinające.
Naprężenie normalne
σ=
N
[N/m2 = Pa]
A
τ=
T
[N/m2 = Pa]
A
Naprężenie styczne
gdzie:
N – siła normalna (rozciągająca) do powierzchni [N],
T – siła równoległa (tnąca) do powierzchni próbki [N],
A – pole powierzchni przekroju próbki [m2].
Rysunek 3.1. Definicja naprężenia normalnego i stycznego wg [2]
Strona 33
ROZDZIAŁ 3
Pod wpływem działającego naprężenia materiał ulega odkształceniu.
W przypadku naprężenia rozciągającego próbka ulegnie rozciągnięciu
z jednoczesnym zmniejszeniem przekroju poprzecznego. Przy rozciąganiu elementarnej kostki sześciennej, jeden bok ulega wydłużaniu, dwa
inne ulegają proporcjonalnemu skracaniu.
Nominalne odkształcenie wzdłużne przy rozciąganiu.
εn =
l − l0 ∆l
=
l0
l0
Nominalne odkształcenie poprzeczne
τ=
l1 − l0
l −l
=− 0 1
l0
l0
Liczba Poissona
ν =−
odkształcenie poprzeczne
odkształcenie wzdłużne
Rysunek 3.2. Definicja odkształcenia wzdłużnego i poprzecznego wg [2]
Liczba Poissona (ν) jest współczynnikiem proporcjonalności między
liniowym odkształceniem wzdłużnym i liniowym odkształceniem poprzecznym. Współczynnik ten jest różny dla różnych materiałów i określa ich zachowanie podczas rozciągania.
Strona 34
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
Tabela 3.2 Liczba Poissona wybranych materiałów
Materiał
Liczba Poissona (ν)
Guma
~ 0,50
Tytan
0,34
Miedź
0,33
Aluminium
0,33
Stal nierdzewna
0,30-0,31
Stal
0,27-0,30
Żeliwo
0,21-0,26
Beton
0,20
Stopień odkształcenia materiałów konstrukcyjnych pod wpływem takiego samego naprężenia jest różny w zależności od rodzaju materiału i jego podatności na odkształcenie. Materiały sztywne i twarde, takie jak
ceramika, odkształcają się nieznacznie, natomiast miękkie, przykładowo
polipropylen, odkształcają się w znacznie większym stopniu. Stałą materiałową opisującą sztywność, czyli odporność na odkształcenie sprężyste pod wpływem przyłożonego naprężenia, jest moduł sprężystości
wzdłużnej zwany również modułem Younga. Ponieważ odkształcenie
sprężyste1 wiąże się z wychyleniem atomów z ich położeń równowagowych bez, rozerwania wiązań międzyatomowych, wartość modułu sprężystości zależna jest od sztywności wiązań międzyatomowych oraz liczby atomów przypadających na jednostkę powierzchni.
Rysunek 3.3. Model mechanizmu odkształcenia sprężystego
Prawo Hooke'a formułuje zależność między naprężeniem a odkształceniem sprężystym i definiuje moduł sprężystości wzdłużnej.
1
Odkształcenie sprężyste– odkształcenie, które ustępuje po usunięciu naprężenia, które
je wywołało.
Strona 35
ROZDZIAŁ 3
Prawo Hooke'a: dla wielu materiałów odkształcenia sprężyste są wprost
proporcjonalne do naprężenia:
•
przy jednoosiowym rozciąganiu,
σ = Eε
gdzie E – moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga)
•
przy ścinaniu,
τ=Gγ
gdzie G – moduł sprężystości poprzecznej (moduł Kirchhoffa),
γ – rzeczywiste odkształcenie ścinania.
•
przy trójosiowym ściskaniu
p=–K∆
gdzie K – moduł ściśliwości,
∆ – odkształcenie objętościowe.
Tak, więc uzyskujemy cztery stałe materiałowe: E, G, K i ν charakteryzujące właściwości sprężyste materiałów. Między poszczególnymi
modułami występują następujące zależności:
3G
,
1 + G / 3K
E
G=
,
2 (1 + ν )
E
K =
,
3(1 − 2ν )
E=
Przyjmując dla metali wartość ν = 1/3 między modułami uzyskujemy
proste zależności:
K≈E, G≈3/8 E
Strona 36
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
Tabela 3.3. Modułu sprężystości (moduł Younga) wybranych materiałów
Materiał
Diament
Moduł Younga [GPa]
1100
Węglik wolframu
450 – 650
Tlenek aluminium
390
Molibden i jego stopy
Żelazo
Stal
320 – 365
196
190 – 210
Miedź
125
Tytan
116
Aluminium
70
Drewno dębowe (wzdłuż włókien)
11
Grafit
27
Polistyren
Żywice epoksydowe
Gumy
Pianki poliuretanowe
3 – 3.4
3
0,01 – 0,1
0,001 – 0,01
3.3. Wytrzymałość statyczna
Wytrzymałość statyczną (odporność na działanie naprężeń stałych lub
jednostajnie narastających) materiałów konstrukcyjnych wyraża naprężenie, po przekroczeniu którego materiał odkształca się plastycznie lub
pęka. Zależne jest to od tego, czy odkształceniu poddajemy materiały
kruche czy też sprężysto – plastyczne.
Wytrzymałość statyczną oraz właściwości plastyczne materiałów wyznacza się w próbie rozciągania, w której znormalizowaną próbkę
poddaje się działaniu narastającego naprężenia i rejestruje się zmianę
odkształcenia.
Strona 37
ROZDZIAŁ 3
Metodyka przeprowadzania statycznej próby rozciągania oraz wielkości
uzyskiwane z krzywych rozciągania zostały zawarte w normie PN-EN
10002-1
Zgodnie z PN-EN 10002-1 w próbie statycznego rozciągania można wyznaczyć następujące wielkości:
•
Rp0,2 [MPa] umowną granicę plastyczności. Rp0,2 – jest to
naprężenie rozciągające wywołujące w próbce odkształcenie
trwałe równe 0,2%,
•
Rm [MPa] wytrzymałość na rozciąganie. Rm – jest to naprężenie umowne, odpowiadające maksymalnej wartości siły Fm.
•
Ag [%] wydłużenie nieproporcjonalne procentowe przy
największej sile. Ag – jest to przyrost wydłużenia nieproporcjonalnego (plastycznego) długości próbki przy
największej sile, wyrażony w procentach początkowej długości pomiarowej.
•
Agt [%] wydłużenie całkowite procentowe przy największej
sile. Agt – jest to przyrost długości pomiarowej próbki (wydłużenie sprężyste i plastyczne) przy największej sile, wyrażony w procentach początkowej długości pomiarowej.
•
A [%] wydłużenie procentowe po rozerwaniu. A – jest to
przyrost długości pomiarowej próbki po jej zerwaniu, wyrażony w procentach początkowej długości pomiarowej.
•
At [%] wydłużenie całkowite po rozerwaniu. At – jest to
wydłużenie całkowite (sprężyste i plastyczne) długości pomiarowej próbki w momencie rozerwania, wyrażone w procentach początkowej długości pomiarowej.
•
Z [%] przewężenie procentowe przekroju. Z – jest to iloraz
zmniejszenia pola powierzchni przekroju poprzecznego
próbki w miejscu zerwania do początkowej powierzchni
przekroju, wyrażony w procentach.
Poniżej przestawiono przykładowe wyniki statycznej próby rozciągania
we współrzędnych naprężenie – odkształcenie dla materiału, który wykazuje właściwości sprężysto – plastyczne.
Strona 38
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
Rysunek 3.4. Krzywa naprężenie – odkształcenie bez wyraźnej granicy
plastyczności zgodnie z PN-EN 10002-1
W początkowym etapie rozciągania metali wykres ma charakter prostoliniowy. W zakresie tym odkształcenia są niewielkie i proporcjonalne
do przyłożonego naprężenia. Zakres proporcjonalności odnosi się do
odkształceń sprężystych i potwierdza prawo Hooke'a. Po przekroczeniu
naprężenia Re zwanego granicą plastyczności, metal zaczyna odkształcać
się plastycznie i na wykresie pojawia się odchylenie od linii prostej.
W związku z tym, że dla wielu krzywych rozciągania precyzyjne wyznaczenie tego punktu jest utrudnione, wprowadzono pojęcie umownej
granicy plastyczności Rp0,2. Dla metali, czyli materiałów sprężysto plastycznych, umowna granica plastyczności jest miarą wytrzymałości
statycznej.
Do odkształcania próbki z metalu niezbędny jest ciągły wzrost naprężenia aż do wartości maksymalnej Rm. Spowodowane jest to tym, iż
w trakcie odkształcania metali (i ich stopów) wzrasta gęstość defektów
struktury krystalicznej, co z kolei prowadzi do umocnienia materiału1.
Po osiągnięciu maksymalnego naprężenia wykres ma charakter malejący
1
Mechanizm umocnienia odkształceniowego będzie omówiony w kolejnym rozdziale.
Strona 39
ROZDZIAŁ 3
z wyraźnym ciągłym spadkiem naprężenia. Jest to związane z pojawieniem się przewężenia, zwanego „szyjką”, w rozciąganej próbce. Przy
dalszym wzroście naprężenia umocnienie materiału staje się niewystarczające, aby przenieść wzrastające naprężenie spowodowane zmniejszeniem przekroju próbki. Materiał staje się niestabilny i proces przewężenia postępuje szybko. Przy naprężeniu Rr nazywanym wytrzymałością
doraźną na rozciąganie, materiał ulega rozerwaniu.
Stopy metali wykazują często górną i dolną granicę plastyczności. Po
osiągnięciu górnej granicy plastyczności widoczny jest przyrost odkształcenia bez przyrostu siły rozciągającej, a nawet przy chwilowych jej
spadkach. Często wahania naprężeń niezbędnych do dalszego odkształcenia powtarzają się kilka razy, przy czym zawsze są mniejsze od naprężenia, które zapoczątkowało odkształcenie plastyczne. Związane jest to
z kotwiczeniem dyslokacji poprzez atomy domieszek, skupiające się wokół dyslokacji. Górna granica plastyczności odpowiada naprężeniu potrzebnemu do oderwania dyslokacji z miejsc zakotwiczenia, a dolna
granica odpowiada naprężeniu potrzebnemu do poruszania dyslokacji,
które się uwolniły.
Górna granica plastyczności ReH – jest to naprężenie rozciągające, przy
którym zachodzi nagłe wydłużenie próbki oraz spadek naprężenia.
Dolna granica plastyczności ReL – jest to minimalne naprężenie (w przypadku, gdy na wykresie jest więcej niż jedno lokalne minimum, to należy pominąć pierwsze występujące bezpośrednio po górnej granicy plastyczności) występujące po przekroczeniu górnej granicy plastyczności.
Strona 40
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
Rysunek 3.5. Krzywa naprężenie – odkształcenie
z wyraźną granicą plastyczności
Dla materiałów sprężysto – plastycznych umowna granica plastyczności
lub górna granica plastyczności wyznacza dla danego materiału dopuszczalne naprężenia na rozciąganie. Do obliczeń wytrzymałościowych
przyjmuje się dopuszczalne naprężenia ze wzoru:
kr =
ReH
,
xw
gdzie:
kr – naprężenia dopuszczalne na rozciąganie,
xw – współczynnik bezpieczeństwa.
3.4. Wytrzymałość zmęczeniowa
Niejednokrotnie materiały zastosowane w częściach maszyn oraz elementy konstrukcji podlegają obciążeniom zmieniającym się w czasie np.
okresowo. Są to obciążenia zmienne, a naprężenia przez nie wywołane
są naprężeniami zmiennymi mającymi, w większości przypadków przebieg sinusoidalny. Obciążenia te prowadzą do zniszczenia materiału
wskutek utworzenia mikropęknięć i ich późniejszej propagacji lub też
Strona 41
ROZDZIAŁ 3
propagacji już istniejących pęknięć. Zniszczenie materiału, a właściwie
jego pęknięcie, zachodzi przy wartościach naprężeń mniejszych od
granicy plastyczności. Obniżanie się wytrzymałości przy działaniu naprężeń zmiennych nosi nazwę zmęczenia materiałów.
Rysunek 3.6. Sinusoidalny przebieg naprężeń zmiennych:
a) – wahadłowy, b) – odzerowo tętniący, c) – dwustronny
(niesymetryczny), d) – jednostronny dodatni wg [3]
Wytrzymałość zmęczeniową ZG określa się jako maksymalne naprężenie, przy którym próbka nie ulega zniszczeniu po osiągnięciu umownej
granicy liczby cykli NG.
•
NG = 10x106 dla stali i innych stopów żelaza,
•
NG = 100x106 dla stopów metali nieżelaznych.
Wytrzymałość zmęczeniową wyznacza się przez doprowadzenie określonej liczby próbek do zniszczenia, zmieniając w kolejnych próbach σa dla
ustalonej wartości σm. Każdej wartości σa odpowiada liczba cykli niszczących o ile σa nie obniży się do wartości odpowiadającej wytrzymałości zmęczeniowej materiału.
Rysunek 3.7. Wykres Wöhlera dla obrotowo zginanych próbek
ze stali wg [3]
Strona 42
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
3.5. Twardość
Twardość – cecha ciał stałych świadcząca o podatności lub odporności
na odkształcenia plastyczne pod wpływem zewnętrznego nacisku sił
skupionych działających na jego powierzchnię. Twardość jest istotną
cechą materiałów konstrukcyjnych. Dla każdego z typu tych materiałów
utworzono odpowiednie metody klasyfikacji i pomiarów twardości.
Dla stopów metali stosowane są metody:
Metoda Rockwella: stosowana dla szerokiego zakresu stopów metali
począwszy od stali hartowanych poprzez stale w stanie zmiękczonym
oraz stopy metali nieżelaznych. Polega ona na pomiarze głębokości
odcisku dokonanego wzorcowym stożkiem diamentowym lub hartowaną
stalową kulką. Metoda ta jest łatwa w użyciu i szybka, gdyż wartość
twardości odczytywana jest na specjalnym wskaźniku, bez konieczności
dokonywania dodatkowych pomiarów i obliczeń. Dodatkową jej zaletą
jest to, że jest ona nieniszcząca i pozostawia na badanym przedmiocie
tylko niewielką skazę.
Twardość w skali Rockwella oznaczana jest HR. Stosowanych jest kilka
odmiennych skal, z których każda przeznaczona jest do różnych stopów
metali.
Przykładowo:
•
Skale HRC i HRA stosuje się do stali hartowanych.
•
Skale HRB i HRF stosuje się do stali w stanie zmiękczonym
i metali nieżelaznych
Metoda Brinella: w metodzie tej pomiar twardości dokonywany jest
poprzez wciskanie w próbkę metalu kulki ze stali hartowanej lub
z węglików spiekanych. Średnica kulki i siła docisku zależy od rodzaju
materiału i grubości próbki. Twardość w skali Brinella oznaczana jest
HB.
Twardość wyznaczana jest, jako iloraz wartości siły docisku do pola
powierzchni uzyskanego odcisku.
Metoda Vickersa: w metodzie tej pomiar twardości dokonywany jest
diamentowym ostrosłupem o kwadratowej podstawie i kącie rozwarcia
pomiędzy ścianami 136°. Nacisk dobierany jest od 9,8 N do 981 N, przy
Strona 43
ROZDZIAŁ 3
czym jako podstawę przyjęto wartość siły równą 294 N.
Twardość w skali Vickersa oznacza się HV. Twardość wyznaczana jest
jako iloraz wartości siły do powierzchni pobocznicy odcisku.
Pomiar twardości gumy i elastomerów dokonuje się metodą Shore'a
oraz IRHD.
Metoda IRHD: metoda IRHD jest zbliżona zasadą działania do metody
Rockwella. Twardościomierze IRHD są wyposażone we wgłębnik
w kształcie kulki, który jest wciskany w próbkę z obciążeniem wstępnym i głównym. Mierzona jest różnica wgłębień i przeliczana bezpośrednio na wynik w stopniach IRHD. Występują podstawowe trzy kombinacje metody (3 zakresy) różniące się obciążeniem i wgłębnikiem, (N)
Normalna (Standardowa), (H) High (Wysoka) i (L) Low (Niska).
Metoda Shore'a: twardość gumy określana jest jako łatwość, z jaką
iglica o specjalnym kształcie zagłębia się w próbkę. W zależności od siły
nacisku oraz stosowanego wgłębnika wyróżnia się wiele skal Shore'a.
Najczęściej stosowanymi są: skala A dla gum miękkich oraz skala D dla
gum i tworzyw twardych i bardzo twardych. Określenie twardości odbywa się poprzez pomiar zagłębienia wgłębnika w badany materiał. Twardość jest określana, jako pochodna siły oporu mechanizmu sprężynującego przy zastosowaniu odpowiedniego wgłębnika.
3.6. Wiązkość
Wiązkość opisuje odporność materiału na rozprzestrzenianie się w nim
istniejących lub też powstałych w czasie eksploatacji mikropęknięć. Odporność na nagłe pękanie jest zależna od cech materiałowych i wyrażana
stałą materiałową Gc .
Wiązkość – Gc [kJ/m2] jest wartością energii wymaganej do utworzenia
pęknięcia o powierzchni jednostkowej (nazywana też krytyczną szybkością uwalniania energii).
Kryterium propagacji pęknięcia wyraża się wzorem:
σ πa = EGc
Strona 44
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
gdzie:
σ – działające naprężenie,
a – długość początkowa pęknięcia,
E – moduł Younga,
Gc – wiązkość.
Lewa strona równania opisuje krytyczne warunki zewnętrzne (naprężenie i długość pęknięcia), przy których zachodzi propagacja pęknięcia.
Pęknięcie materiału wystąpi, jeżeli:
•
przy działającym naprężeniu σ w materiale wystąpi krytyczna długość pęknięcia lub
•
na materiał, w którym występuje pękniecie o długości a
działa naprężnie o krytycznej wartości σ.
Wyrażenie σ πa nazywane jest współczynnikiem intensywności
naprężeń i oznaczane symbolem K.
Wartość wyrażenia po prawej stronie równania zależy jedynie od cech
materiałowych (E i Gc) i nazywana jest krytycznym współczynnikiem
intensywności naprężeń (Kc)
Współczynnik intensywności naprężeń zależy, więc od rozmiarów szczeliny i od przyłożonego obciążenia. W warunkach, gdy naprężenie nominalne σ przy danej długości szczeliny a osiągnie wartość, przy której
następuje propagacja pęknięcia, współczynnik intensywności naprężeń
osiąga wartość krytyczną (Kc). Ma on szczególne znaczenie dla badania
materiałów, gdyż jest on właśnie miarą odporności materiału na pękanie.
Mikropęknięcia występujące w materiale powodują koncentrację naprężeń na wierzchołkach pęknięć, co powoduje, że lokalne naprężenia występujące w materiale są wyższe od naprężeń średnich. Odporność materiału na nagłe pękania związana jest z możliwością relaksacji koncentracji lokalnych naprężeń.
Materiały charakteryzujące się wysoką odpornością na nagłe pękania
mają zdolność plastycznego odkształcenia, a tym samym pochłaniają dużą ilość energii związanej z odkształceniem plastycznym, co oznacza, że
propagacja pęknięcia w tych materiałach zachodzi trudno, a tym samym
Kc i Gc mają wysokie wartości.
Strona 45
ROZDZIAŁ 3
Przeciwieństwem wiązkości jest kruchość. Materiały kruche mają możliwość odkształcenia plastycznego w ograniczonym zakresie i mogą przyjąć znacznie mniej energii niż materiały o dużej wiązkości i tym samym
propagacja pęknięć zachodzi w nich znacznie łatwiej (przy niższych
naprężeniach).
Tabela 3.3. Przykładowe wartości wiązkości Gc i krytycznego
współczynnika naprężeń Kc wg [2].
Materiał
Czyste metale np. Cu, Ni, Al
Stale o wysokiej wytrzymałości
Stopy aluminium
Gc [kJ⋅⋅m2]
Kc [MN⋅⋅m-3/2]
100 – 1000
15 – 118
8-30
23-45
Stale średnio węglowe
13
51
Polipropylen
8
3
0,2-3
6-20
2
2
Węglik krzemu
0,05
3
Tlenek aluminium
0,02
3-5
Szkło sodowe
0,01
0,7-0,8
Żeliwo
Polistyren
Odporność na pękanie jest niezwykle istotnym parametrem określającym
właściwości mechaniczne danego materiału, a zwłaszcza materiału
konstrukcyjnego.
Materiały
o
wysokich
właściwościach
wytrzymałościowych niejednokrotnie posiadają niską odporność na
pękanie. Zastosowanie takiego materiału do konstrukcji, która podlega
obciążeniom dynamicznym, może doprowadzić do zniszczenia
konstrukcji wskutek nagłego pękania jej elementów.
Na odporność materiału na pękanie istotny wpływ ma temperatura
eksploatacji. Dla wielu materiałów, między innymi dla metali o strukturze RPC, w temperaturze przejścia materiału w stan kruchy (próg kruchości) następuje skokowa zmiana skłonności do kruchego pękania,
co wiąże się ze spadkiem ruchliwości dyslokacji. Leży ona zazwyczaj
w zakresie temperatur ujemnych. Nie wszystkie materiały w sposób jednakowy są wrażliwe na działanie niskich temperatur. Stopy niklu,
aluminium i miedzi nie są wrażliwe na działanie obniżonej temperatury.
W stopach żelaza, a w szczególności w stali, temperatura progu kruchości jest wyraźna, a spadek odporności na pękanie może być bardzo duży.
Strona 46
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
Miarą odporności metali i ich stopów na pękanie przy dynamicznych
obciążeniach jest udarność, która zgodnie z PN EN 10045-1: 1994
wyrażana jest energią K[J] zużytą na złamanie próbki. Metoda polega na
dynamicznym obciążeniu próbki z karbem i wyznaczeniu energii potrzebnej do jej złamania.
Próba udarności jest prostą metodą pozwalającą przede wszystkim na
określenie, czy materiał nie znajduje się w stanie kruchym (przy występowaniu tzw. progu kruchości w obniżonych temperaturach).
3.7. Kruchość i ścieralność
Kruchość (k) – przyjęto, że jest to stosunek wytrzymałości na
rozciąganie (Rm) do wytrzymałości na ściskanie (Rc); wielkość tę oblicza
się wg wzoru:
k=
Rm
,
Re
Jeżeli wartość k < 1/8 to mamy do czynienia z materiałem kruchym
(żeliwo, szkło, skały, beton zwykły, ceramika). Materiały kruche, po
przekroczeniu pewnej wartości naprężenia, ulegają zniszczeniu, nie wykazując żadnych odkształceń plastycznych. Charakteryzują się dużymi
różnicami wytrzymałości na ściskanie i rozciąganie, np. wytrzymałość
na rozciąganie materiałów kamiennych wynosi 1/40 ÷ 1/60 wytrzymałości na ściskanie. Kruche pękanie polega na zahamowaniu odkształcenia plastycznego przez spiętrzenie dyslokacji na przeszkodach (np. granicach ziaren). Odpowiednia liczba dyslokacji jest przyczyną
koncentracji naprężeń, które są źródłem powstawania ognisk
mikropęknięć.
Ścieralność (s) – jest to podatność materiału na ścieranie.
Inaczej ścieralność jest to podatność materiału do zmniejszenia objętości
lub masy pod wpływem działania sił ścierających.
Zużycie materiału w procesie tarcia spowodowane jest ścieraniem, pękaniem i wykruszaniem cząstek materiału oraz adhezją powierzchni współpracujących elementów.
Strona 47
ROZDZIAŁ 3
Do najczęściej spotykanych rodzajów zużycia materiałów można
zaliczyć wg [4]:
•
zużywanie adhezyjne, które jest związane z adhezją powierzchni trących. Powoduje ona lokalne szczepienia tych
powierzchni, co jest powodem pękania wiązań kohezyjnych,
•
zużywanie ścierne, które jest związane z dużą chropowatością powierzchni styku. Występujące nierówności spełniają rolę mikroostrzy, powodując ubytek materiału spowodowany mikroskrawaniem,
•
zużywanie zmęczeniowe spowodowane jest przez cyklicznie
zmienne odkształcenia warstwy wierzchniej. Z powodu tego,
na powierzchni pojawiają się mikropęknięcia, których dalszy
rozwój i łączenie powoduje wykruszanie się materiału,
•
zużywanie erozyjne powstaje w wyniku uderzenia drobnych
cząstek o powierzchnię materiału, powodując ubytek materiału zwany erozją,
•
zużywanie chemiczne występuje wskutek reakcji chemicznych zachodzących między współpracującymi materiałami,
w których zachodzi proces tarcia (np. utlenianie),
•
zużywanie cieplne zachodzi w wyniku wydzielania się dużej
ilości ciepła, które powoduje w przypadku polimerów
zmiękczenie materiału w warstwach wierzchnich.
Miarą ścieralności jest pomiar strat na wysokości próbki badanej lub
ubytku masy próbki w wyniku ścierania. Oznaczenie przeprowadza się
w specjalnych aparatach dostosowanych do rodzaju badanego materiału.
Badaniu temu poddaje się materiały, które w połączeniach ruchomych
konstrukcji podlegają ścieraniu oraz materiały, które w trakcie eksploatacji ulegają zużyciu wskutek tarcia. Obejmuje ono materiały na elementy
maszyn, narzędzi oraz podłogi, stopnie schodów, nawierzchnie drogowe
i lotniskowe, okładziny zbiorników na materiały sypkie, itp.
Pełzanie materiałów, zjawisko ciągłego plastycznego odkształcania się
materiału (np. części maszynowej, elementu konstrukcyjnego) znajdującego się pod stałym obciążeniem. W temperaturze pokojowej pełzanie
wykazują np. ołów, cyna i cynk. Pełzanie materiałów jest właściwością
niekorzystną, niekiedy dyskwalifikującą zastosowanie materiału do
elementów konstrukcyjnych. Proces ten jest zwykle silnie intensyfikoStrona 48
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH
wany w wysokiej temperaturze lub w materiałach o niestabilnej strukturze chemicznej.
T > (0,3 – 0,4) Tm (dla metali)
T > (0,4 – 0,5) Tm (dla ceramiki)
Tm – temperatura topnienia [K].
Wytrzymałość na pełzanie jest to wartość stałego obciążenia podzielona
przez przekrój początkowy próbki, które po upływie określonego czasu
działania w danej stałej temperaturze, spowoduje jej rozerwanie.
Strona 49
ROZDZIAŁ 3
Strona 50
`
4
Metody umacniania
materiałów
plastycznych
W tym rozdziale:
o
o
o
o
o
Umocnienie roztworowe
Umocnienie wydzieleniowe
Umocnienie przez rozdrobnienie ziaren
Umocnienie odkształceniowe
Zdrowienie i rekrystalizacja
ROZDZIAŁ 4
Defekty struktury krystalicznej osłabiają kryształ, a tym samym mają
istotny wpływ na właściwości materiałów. Decydują one o właściwościach wytrzymałościowych i plastycznych, oraz odgrywają dużą rolę
w procesach dyfuzji i korozji.
Jedną z cech wytrzymałościowych materiałów jest jego „odporność” na
odkształcenia plastyczne charakteryzowana przez granicę plastyczności
(Re). Jak już wspomniano w rozdziale drugim odkształcenie plastyczne
materiałów jest wynikiem przemieszczania się dyslokacji w kryształach.
Obecność dyslokacji w strukturze ułatwia odkształcenie plastyczne
materiału, czyli poślizg jednej części kryształu względem drugiej, gdyż
zamiast jednoczesnego zerwania i odtworzenia wszystkich wiązań atomowych w płaszczyźnie, następuje kolejno przemieszczenie się atomów
znajdujących się w pobliżu dyslokacji (rysunek 2.13 i 2.14). Dodatkowym ułatwieniem jest to, iż atomy te są przesunięte z położeń o najniższej energii. Dlatego też obecność dyslokacji w strukturze krystalicznej powoduje, iż rzeczywista wytrzymałość poszczególnych materiałów
jest zdecydowanie niższa od teoretycznej, niezależnie od rodzaju
występujących wiązań. Przykładowo, obliczona teoretycznie wytrzymałość na rozciąganie dla stopów Fe (wiązanie metaliczne) wynosi ok.
13,2 GPa wg [5]. Jednak większość dostępnych obecnie wysoko
wytrzymałych stali osiąga rzeczywistą wytrzymałość na poziomie
1,5 GPa. Oznacza to, że wykorzystanych jest zaledwie 5 – 10% teoretycznej siły wiązań Fe. Za te właśnie różnice odpowiedzialne są dyslokacje, czyli liniowe defekty sieci. Gdy dyslokacja przemieszcza się przez
kryształ, następuje zerwanie i odtworzenie wiązań między atomami.
Dlatego też właściwości wytrzymałościowe w dużym stopniu zależne są
od wartości sił międzyatomowych w wiązaniach. Materiały takie jak
diament, węgliki, azotki itp., cechuje duży wewnętrzny opór stawiany
ruchowi dyslokacji wynikający z bardzo mocnych wiązań kowalencyjnych. Materiały te charakteryzują się wysoką wytrzymałością i twardością. Natomiast czyste metale (wiązanie metaliczne) mają niską wytrzymałość i są bardzo miękkie.
Z przedstawionych rozważań wynika, iż wytrzymałość i twardość metali
można zwiększyć przez:
Strona 52
•
usunięcie defektów struktury krystalicznej,
•
lub zwiększenie oporu ruchu dyslokacji przez wytworzenie
odpowiednich przeszkód dla ich ruchu.
METODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH
Pierwsza z możliwości została potwierdzona przez otrzymanie włókien
włoskowatych (wiskersów) wydzielających się z ciekłego roztworu
stopu lub otrzymywanych metodą kondensacji par. Wiskersy ze względu
na pozbawioną defektów strukturę cechuje wysoka wytrzymałość na
rozciąganie wynosząca nawet 12,6 GPa, co stanowi 95% teoretycznej
wg [5] wytrzymałości wiązań atomów Fe. Jednak proces konsolidacji
prowadzący do uzyskania litego materiału powodował powstawanie w
materiale termodynamicznie stabilnych defektów i w konsekwencji
prowadził do utraty znakomitych właściwości mechanicznych.
Druga z możliwości umacniania jest powszechnie wykorzystywana
w praktyce i ma szczególne zastosowanie do umacniania metali. Wytworzone w materiale przeszkody, defekty struktury (atomy domieszek,
dyslokacje, granice ziarn) lub obce wtrącenia, powodują zakotwiczenie
dyslokacji, a w takim przypadku naprężenie styczne potrzebne do
przemieszczenia dyslokacji poza obszar występowania przeszkody jest
większe od stycznego naprężenia krytycznego1 zapoczątkowującego ruch
dyslokacji.
W zależności od rodzaju wytworzonych przeszkód wyróżniamy następujące mechanizmy umacniania:
•
roztworowe (przez tworzenie roztworu),
•
wydzieleniowe lub cząstkami fazy dyspersyjnej,
•
przez rozdrobnienie ziarna (wzrost powierzchni granic
ziarn),
•
odkształceniowe (zwiększenie gęstości dyslokacji).
4.1. Umocnienie roztworowe
Pierwiastki rozpuszczone w materiale macierzystym tworzą defekty
struktury krystalicznej i stają się przeszkodami dla ruchu dyslokacji.
Umocnienie roztworowe jest wynikiem:
1
Krytyczne naprężenie styczne – minimalne naprężenie styczne działające w kierunku
poślizgu, które powoduje ruch (poślizg) dyslokacji, wywołując odkształcenie plastyczne materiału. Naprężenia mniejsze od krytycznego wywołują jedynie odkształcenia
sprężyste.
Strona 53
ROZDZIAŁ 4
•
blokowania dyslokacji – atomy rozpuszczone tworzą skupiska wokół rdzeni dyslokacji i je blokują. Do uruchomienia
tak zakotwiczonych dyslokacji wymagane jest naprężenie
większe od naprężenia krytycznego. Przykładowo, w celu
zmniejszenia miejscowych naprężeń rozciągających, atomy
węgla w stopach żelaza z węglem gromadzą się wokół linii
dyslokacji tworząc tzw. atmosfery Cottrella i blokują
dyslokacje,
•
i utrudnienia ruchu dyslokacji wynikającego z powstałego
w sięci krystalicznej (w otoczeniu defektów punktowych)
pola naprężeń powodującego wzrost naprężenia stycznego
niezbędnego do uruchomienia dyslokacji. Czyli atomy rozpuszczone w sieci krystalicznej powodują zburzenie „gładkości” płaszczyzn poślizgu.
Stopień umocnienia roztworowego zależny jest od tego, jaki roztwór
(międzywęzłowy czy różnowęzłowy) tworzą dodatki stopowe w strukturze osnowy oraz od stężenia dodatku stopowego w roztworze. Efektywne względne umocnienie na jednostkę koncentracji składnika stopowego
jest większe dla roztworów międzywęzłowych, związane jest to z rodzajem i wielkością odkształcenia sieci krystalicznej osnowy. Dla obu rodzajów roztworów wraz ze wzrostem stężenia roztworu wzrasta naprężenie styczne niezbędne do uruchomienia dyslokacji.
4.2. Umocnienie wydzieleniowe
Umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne polega na wytworzeniu
w ziarnach drobnych cząstek o odmiennej strukturze krystalograficznej
niż osnowa. Obecność faz obcych stanowi źródło znacznego umocnienia
materiału wynikającego z oddziaływania dyslokacji z rozmieszczonymi
w ziarnie cząstkami. Stopień umocnienia zależny jest od składu chemicznego cząstki (rodzaj wiązania między atomami) ich wielkości,
gęstości (liczby cząstek przypadających nan jednostkę objętości) oraz
rozmieszczenia w ziarnie. Ze względu na źródło powstawania cząstek
wyróżniamy dwa rodzaje umocnienia:
•
Strona 54
wydzieleniowe, w którym cząstki powstają w wyniku obróbki cieplnej stopu (przesycanie i starzenie),
METODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH
•
dyspersyjne, w którym cząstki wprowadzane są z zewnątrz
w postaci dyspersyjnych cząstek np. Al2O3 lub utleniania
wewnętrznego.
W obu przypadkach wydzielenia rozmieszczone w ziarnie mają odmienną strukturę krystalograficzną niż osnowa, są na ogół cząstkami o wysokim module sprężystości i charakteryzują się dużą twardością. Dyslokacja może pokonać te przeszkody przy naprężeniu stycznym większym od
krytycznego, wykorzystując jeden z mechanizmów: przecinania cząstek
lub ich omijania z tworzeniem wokół nich pętli dyslokacji. Ze względu
na częściowe mocne wiązania jonowe lub kowalencyjne występujące
w rozmieszczonych w ziarnie cząstkach mechanizm przecinania jest
utrudniony, a bardziej prawdopodobnym jest mechanizm omijania.
W kolejnym etapie omijania wydzieleń następuje połączenie wyginanych segmentów dyslokacji, a w konsekwencji przechodzi ona przez
przeszkody, pozostawiając wokół wydzieleń pętle dyslokacji. Wzrost
naprężenia stycznego niezbędnego do ominięcia dyspersyjnych wydzieleń rozmieszczonych w ziarnach, a tym samym umocnienie materiału,
można przedstawić za pomocą zależności:
τy =
2T
bL
Rysunek 4.1. Umocnienie wydzieleniowe:
a ÷ d) mechanizm omijania wydzieleń z tworzeniem wokół nich pętli
dyslokacji, e) zależność naprężenia wywołującego odkształcenie
plastyczne od odległości między wydzieleniami wg [2]
Strona 55
ROZDZIAŁ 4
4.3. Umocnienie przez
rozdrobnienie ziaren
W polikrystalicznych materiałach metalowych przeszkodami dla ruchu
dyslokacji są również granice ziaren, na których zachodzi spiętrzanie się
i kotwiczenie dyslokacji.
Granica ziarna stanowi przeszkodę dla ruchu dyslokacji, ponieważ orientacja struktury krystalograficznej sąsiadujących ziaren jest różna, a nieregularne ułożenia atomów na granicy zaburza ciągłość płaszczyzn poślizgu pomiędzy ziarnami. Spiętrzenie dyslokacji na granicy ziarna powoduje pojawienie się dodatkowego pola naprężeń, co w konsekwencji jest
kolejnym czynnikiem umacniającym materiał. Odkształcenie plastyczne
może być kontynuowane, jeśli naprężenia osiągną wartość niezbędną do
zainicjowania poślizgu w ziarnie sąsiednim.
Dlatego też im drobniejsze jest ziarno w metalu, tym większy jest efekt
umocnienia stopu i uzyskuje się wyższe właściwości wytrzymałościowe
(Rm, Re, H) i mniejsze właściwości plastyczne (A, Z). Ze względu na
wielkość ziaren materiały polikrystaliczne dzielimy na: mikrokrystaliczne, ultradrobnoziarniste oraz nanokrystaliczne.
Rysunek 4.2. Zakresy rozmiarów ziaren (krystalitów) polikrystalicznych
metali.
Odkształcenie plastyczne (poślizg dyslokacji) polikryształu nie przebiega równomiernie we wszystkich ziarnach. Poślizg rozpoczyna się w ziarnach, w których płaszczyzny poślizgu są zgodne z kierunkiem działania
naprężenia stycznego, następnie rozprzestrzenia się na ziarna z płaszczyznami poślizgu zbliżonymi do kierunku działania naprężenia stycznego, aż kolejno obejmuje wszystkie ziarna. Wynika z tego, iż przekroczenie granicy plastyczności nie odbywa się jednocześnie w całej objętości
materiału polikrystalicznego, co znajduje swoje odbicie na wykresie naprężenie – odkształcenie w postaci braku wyraźnej granicy plastyczności
(rysunek 3.4).
Strona 56
METODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH
Potencjał rozdrobnienia ziarna, jako metody umocnienia polikrystalicznych materiałów metalicznych przedstawia równanie Halla – Petcha
wiążących granicę plastyczności z parametrami struktury tradycyjnych
materiałów metalicznych.
σ y = σ0 + kyD
− 12
gdzie:
D – wielkość ziarna (średnia cięciwa),
σy – granica plastyczności,
σ0 – stała,
ky – stała.
4.4. Umocnienie
odkształceniowe
W procesie odkształcenia pod wpływem naprężeń zewnętrznych wzrasta
w materiale gęstość dyslokacji. Dyslokacje, przy wzrastającej gęstości
zaczynają się nawzajem blokować, co prowadzi do zwiększenia naprężania stycznego niezbędnego do ich uruchomienia. Jeżeli w procesie odkształcania uruchomionych jest jednocześnie kilka systemów poślizgu,
to dyslokacje poruszające się w przecinających się płaszczyznach oddziałują ze sobą i gromadzą się w coraz większych ilościach, a ich rozkład w odkształcanym materiale jest nierównomierny. Przy dużych odkształceniach prowadzi to do utworzenia struktury komórkowej, w której
wolne od dyslokacji niewielkie objętości metalu oddzielone są od siebie
ściankami splątanych dyslokacji. W strukturze takiej swobodne drogi
ruchu dyslokacji są niewielkie i materiał uzyskuje znaczny wzrost umocnienia. Rezultatem odkształcenia metalu jest jego umocnienie ujawniające się wzrostem oporu przy jego odkształcaniu. Oznacza to, że do
dalszego odkształcenia niezbędny jest wzrost naprężania, co widoczne
jest na krzywej naprężnie – odkształcenie przedstawionej w rozdziale
trzecim (rysunek 3.4).
Iloraz przyrostu naprężeń odkształcających i odkształcenia wyznacza
współczynnik umocnienia:
Strona 57
ROZDZIAŁ 4
P=
dσ
dε
Odkształceniowe umocnienie metalu uzyskiwane jest w temperaturach
niższych od temperatury rekrystalizacji określonej poniższą zależnością i
nosi nazwę obróbki plastycznej na zimno:
Trek = aTtop
gdzie:
Trek – temperatura rekrystalizacji (w K),
Ttop – temperatura topnienia metalu (w K),
a – współczynnik, którego wartości wynoszą od 0,1 do 0,2 dla
czystych metali do 0,8 dla stopów wielofazowych.
4.5. Zdrowienie i rekrystalizacja
Umocnienie metali pod wpływem odkształcenia z jednej strony zwiększa
właściwości wytrzymałościowe, a z drugiej obniża właściwości plastyczne, co niejednokrotnie jest zjawiskiem niekorzystnym szczególnie przy
kształtowaniu wyrobów przez obróbkę plastyczną na zimno. Znaczny
wzrost gęstości dyslokacji może doprowadzić do tak znacznego umocnienia, iż obrabiany materiał w wyniku pękania ulega zniszczeniu.
Zmianom mikrostruktury spowodowanym odkształceniem materiału pod
wpływem obróbki plastycznej na zimno towarzyszy pojawienie się naprężeń własnych:
•
I rodzaju — submikroskopowych, występujących wewnątrz
ziaren, spowodowanych odkształceniami w obrębie ziaren,
•
II rodzaju — mikroskopowych, występujących między ziarnami, w wyniku wzajemnych odkształceń ziaren,
•
III rodzaju — makroskopowych, spowodowanych nierównomiernym odkształceniem na przekroju wyrobu.
Energia wydatkowana na odkształcenie plastyczne zostaje wydzielona
w postaci ciepła i częściowo zmagazynowana w odkształcanym materiaStrona 58
METODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH
le. Dlatego też umocniony materiał posiada wyższą energię swobodną
wynikającą z występowania w strukturze dużej ilości dyslokacji i wakansów oraz ograniczonych dróg przemieszczania się dyslokacji. Jest w stanie metastabilnym, czyli dąży do wydzielenia nadmiaru energii. Przy
dużych odkształceniach wartość energii zmagazynowanej wynosi ok.
10% energii wydatkowanej w czasie odkształcenia.
Proces powrotu materiału odkształconego na zimno do stanu stabilnego
jest aktywowany cieplnie i dzieli się na dwa podstawowe stadia —
zdrowienie i rekrystalizację.
Zdrowienie jest pierwszym etapem powrotu materiału do stanu równowagi.
Zdrowienie jest procesem aktywowanym cieplnie i obejmuje:
•
w temperaturze (0,1÷0,3)Tm – aktywowaną cieplnie migrację
atomów międzywęzłowych i równoczesną migrację wakansów, co prowadzi do zmniejszenia stężenia defektów
punktowych,
•
w temperaturze większej od 0,3Tm przebudowę struktury poprzez procesy obejmujące anihilację dyslokacji i ich przegrupowanie w procesie poligonizacji. Jednoimienne dyslokacje znajdujące się w jednej płaszczyźnie poślizgu, przemieszczając się tworzą ścianki prostopadłe do tej płaszczyzny, co prowadzi do powstania struktury mozaikowej (subziarna), w której ścianki stają się wąskokątowymi granicami,
oddzielającymi obszary materiału wolne od dyslokacji,
W wyniku tego następuje wydzielenie części zmagazynowanej w materiale energii i obniżenie naprężeń wewnętrznych. Proces zdrowienia nie
obejmuje powstawania i rozrostu nowych wolnych od defektów ziaren.
Rysunek 4.3. Model przegrupowania dyslokacji w procesie poligonizacji
a) rozkład dyslokacji po zginaniu b) rozkład dyslokacji po poligonizacji
Rekrystalizacja jest również procesem aktywowanym cieplnie przebiegającym w temperaturach wyższych od Trek. Z uwagi na pewne cechy
Strona 59
ROZDZIAŁ 4
zmian mikrostruktury zachodzące podczas rekrystalizacji podzielono ją
na: rekrystalizację pierwotną, rozrost ziaren i rekrystalizację wtórną.
Rekrystalizacja pierwotna zachodzi przez tworzenie zarodków nowych
nieodkształconych ziaren i ich rozrostu. Proces ten polega na powstaniu
i migracji szerokokątowych granic ziaren. Przebiega w stanie stałym,
a jego siłą napędową jest zmniejszenie zamagazynowanej energii odkształcenia pozostałej po procesie zdrowienia. Zarodki rosnąc tworzą
nowe ziarna. Wzrost odbywa się w wyniku przemieszczania się atomów
z odkształconej osnowy do nowo utworzonych ziaren przez granicę,
która zaczyna się przemieszczać. Ruch jej powoduje w znacznym
stopniu likwidację dyslokacji i defektów punktowych. Proces rozrostu
ziaren prowadzi do całkowitej likwidacji odkształconej struktury. Po
rekrystalizacji, w wyniku zmniejszenia gęstości dyslokacji, następuje
spadek właściwości wytrzymałościowych materiału oraz poprawa jego
właściwości plastycznych. Materiał wraz z odbudową struktury uzyskuje
praktycznie takie same właściwości jak przed procesem obróbki plastycznej na zimno.
Do zainicjowania rekrystalizacji niezbędny jest pewien minimalny stopień zgniotu, zwany zgniotem krytycznym. Przy tej wielkości zgniotu po
rekrystalizacji uzyskuje się maksymalną wielkość ziarna, ponieważ
w strukturze powstała mała liczba zarodków. Przy zgniocie mniejszym
od krytycznego rekrystalizacja nie zachodzi, odkształcenie było zbyt
małe do wytworzenia zarodków rekrystalizacji, tj. podziaren o szerokokątowych granicach. Zgniot krytyczny ma różne wartości dla różnych
metali i zawiera się w granicach od kilku do kilkunastu procent.
Wraz ze zwiększaniem stopnia odkształcenia plastycznego na zimno
zwiększa się liczba zarodków i materiał po rekrystalizacji uzyskuje drobniejsze ziarno. Stopień zgniotu ma też wpływ na temperaturę rekrystalizacji, im większy zgniot, tym materiał magazynuje większą energię odkształcenia i tym samym potrzebny jest mniejszy bodziec (niższa temperatura rekrystalizacji) do sprowadzenia układu do stanu równowagi.
Rozrost ziarna zachodzi bezpośrednio po zakończeniu rekrystalizacji
pierwotnej. Istotą tego procesu jest ciągły równomierny wzrost średniej
wielkości ziarna. Ziarna większe rosną kosztem ziaren mniejszych, a siłą
napędową tego procesu jest zmniejszenie energii powierzchniowej
granic ziaren.
Rekrystalizacja wtórna również występuje po zakończeniu rekrystalizacji pierwotnej i polega na selektywnym rozroście niektórych ziaren
kosztem innych. Przebiega w wysokich temperaturach i zachodzi
Strona 60
METODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH
w przypadku, gdy po rekrystalizacji pierwotnej występuje w strukturze
duże zróżnicowanie wielkości ziaren. Charakterystyczną cechą materiału
o strukturze gruboziarnistej jest wysoka kruchość.
UWAGA
Rozrost ziarna jest zjawiskiem w większości przypadków niekorzystny i należy go unikać. Możliwe jest to między innymi przez
rozmieszczenie w strukturze dyspersyjnych wydzieleń, które
przez blokownie migrujących granic, utrzymują drobnoziarnistą
strukturę w wysokich temperaturach.
Odkształcenie przeprowadzone powyżej Trek nie powoduje umocnienia
metalu i określane jest obróbką plastyczną na gorąco. Brak umocnienia
wynika z faktu, że w trakcie odkształcenia plastycznego materiału
w temperaturach większych od Trek zachodzi jednocześnie proces zdrowienia i rekrystalizacji nazywany zdrowieniem dynamicznym i rekrystalizacją dynamiczną. Daje to możliwości uzyskiwania jednorazowo, bez
pośrednich obróbek cieplnych, znacznych odkształceń materiału.
Strona 61
ROZDZIAŁ 4
Strona 62
`
5
Układy równowagi
fazowej
W tym rozdziale:
o
o
o
Reguła faz Gibbsa
Dwuskładnikowe układy równowagi
Mechanizm i kinetyka przemian fazowych
ROZDZIAŁ 5
5.1. Reguła faz Gibbsa
Budowa fazowa stopów (rodzaj i liczba współistniejących faz) w stanie
równowagi zależna jest od trzech parametrów: temperatury, ciśnienia
oraz stężenia poszczególnych składników (skład chemiczny). Do
charakterystyki układów wielofazowych można zastosować tzw. regułę
faz Gibbsa.
REGUŁA FAZ GIBBSA
Mówi ona, że w danym układzie liczba stopni swobody (S) jest
równa liczbie składników niezależnych (n), pomniejszonej
o liczbę faz (f) plus dwa.
S=n–f+2
Jako liczbę stopni swobody w danym układzie rozumiemy liczbę niezależnych czynników zewnętrznych i wewnętrznych (temperatura, ciśnienie, skład chemiczny), które mogą być dowolnie zmieniane pod warunkiem, że nie wywoła to zmiany liczby faz w układzie.
Dla układu jednoskładnikowego czynnikami fizycznymi wpływającymi
na stan układu są ciśnienie p oraz temperatura T.
Rysunek 5.1. Diagram równowagi fazowej dla układu
jednoskładnikowego
Strona 64
•
punkt potrójny:
(S = n – f + 2 = 1 – 3 + 2 = 0 → S = 0), aby zachować
równowagę między fazami żaden z parametrów układu
(p ani T) nie może ulec zmianie,
•
linie równowagi fazowej:
(S = n – f + 2 = 1 – 2 + 2 = 1 → S = 1) jeden parametr
UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
układu (p lub T) może ulec zmianie nie wywołując zmiany
składu fazowego. Zmiana jednego parametru powoduje
samoistną zmianę drugiego z parametrów i układ pozostaje
w równowadze – nie można zmienić dowolnie (nawet o niewielkie wartości) jednocześnie obu parametrów bez opuszczenia linii krzywej równowagi.
•
powierzchnie na diagramie:
(S = n – f + 2 = 1 – 1 + 2 = 2 → S = 2) oba parametry
układu (p i T) mogą w pewnym zakresie ulegać zmianie nie
wywołując zmian w składzie fazowym układu.
Biorąc pod uwagę, że przemiany fazowe zachodzące w metalach i ich
stopach na ogół przebiegają przy nieznacznych zmianach ciśnienia atmosferycznego przy opracowaniu układów równowagi pomijany jest
wpływ ciśnienia. Wtedy zależność opisująca regułę faz przyjmuje
postać:.
S=n–f+1
Z analizy reguły faz Gibbsa, dla krzepnięcia czystego metalu pod stałym
ciśnieniem wynika, że równowaga między fazą stała i ciekłą może
istnieć jedynie w stałej temperaturze. W takim układzie występuje jeden
składnik (n = 1) i dwie fazy: ciekła i stała (f = 2) stąd S = 0, czyli układ
jest niezmienny.
Rysunek 5.2. Krzywa chłodzenia i grzania dla czystego metalu
ze schematem etapów krzepnięcia
Dla układu jednoskładnikowego krzepnięcie przebiega w stałej temperaturze.
Strona 65
ROZDZIAŁ 5
5.2. Dwuskładnikowe układy
równowagi
Układy równowagi przy założeniu stałego ciśnienia są wykresami
sporządzanymi we współrzędnych prostokątnych, gdzie na osi odciętych
występuje stężenie składników stopowych (w % wagowych lub atomowych), a na osi rzędnych temperatura (zwykle w °C). Wykresy te sporządzane są doświadczalnie dla każdego rodzaju dwuskładnikowych stopów
na podstawie analizy termicznej. Polega ona na pomiarze zmiany temperatury w czasie nagrzewania (lub chłodzenia) stopów i rejestracji krzywych nagrzewania (lub chłodzenia, rysunek 5.2), na których uwidaczniają się efekty cieplne zachodzące w wyniku przemian fazowych. Gdy
zachodzi przemiana fazowa, wydzielane jest lub pochłaniane ciepło,
które zmienia temperaturę układu i wpływa na przebieg zależności temperatury od czasu. Efekty cieplne widoczne są w postaci odcinków
prostych równoległych do osi odciętych lub zmiany nachylenia krzywej.
Otrzymane układy obrazują stan równowagi stopu, czyli stan, w którym
układ (zbiór faz) w danej temperaturze ma najniższą energię swobodną.
W takiej sytuacji stop nie ma tendencji do zmiany składu fazowego
w funkcji czasu. Wykresy równowagi fazowej opracowywane są przy
bardzo wolnych zmianach temperatury, ponieważ do ustalenia równowagi termodynamicznej układu (zbioru faz) wymagany jest długi czas.
W układzie dwuskładnikowym liczba stopni swobody może przyjmować
następujące wartości:
Strona 66
•
S = 0 – układ jest wtedy niezmienny, co oznacza, że aby
zachować równowagę między fazami nie można zmienić
żadnego z czynników (stężania żadnej z faz ani temperatury),
•
S = 1 – układ jest jednozmienny, co oznacza, że nie naruszając równowagi między fazami można w pewnym zakresie
zmienić albo stężenie jednej z faz albo temperaturę,
•
S = 2 – układ jest dwuzmienny, co oznacza, że nie naruszając równowagi między fazami można zmienić w pewnym
zakresie dwa czynniki (stężenie jednej z faz i temperaturę
albo w stałej temperaturze stężenie dwóch faz układu).
UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
W układach dwuskładnikowych znajdujących się pod stałym
ciśnieniem proces krystalizacji może przebiegać w stałej temperaturze lub w pewnym zakresie temperatury.
Gdy z roztworu ciekłego dwóch metali krystalizuje jedna faza stała, (np.
roztwór stały ciągły), wtedy S = 1 (S = n – f + 1 = 2 – 2 +1 = 1) i na
krzywej chłodzenia (rysunek 5.3–1) widoczne są dwa załamania (bez
przystanku temperaturowego), czyli stop krystalizuje w pewnym zakresie temperatur. Punkty odpowiadające temperaturom początku krystalizacji, naniesione na układ równowagi fazowej w układzie współrzędnych temperatura i stężenie, tworzą linię likwidus, natomiast końca
krystalizacji linię solidus. Obszar pomiędzy linią likwidusu i solidusu,
jest obszarem równowagi fazowej współistnienia roztworu ciekłego i
roztworu w stanie stałym. Z warunku S =1 wynika, iż zmiana temperatury powinna pociągać za sobą samoistną zmianę stężenia faz będących
w równowadze.
Układ równowagi fazowej z nieograniczoną rozpuszczalnością
składników w stanie stałym
Na rysunku 5.3 przedstawiono układ równowagi z nieograniczoną rozpuszczalnością składników w stanie ciekłym i stałym.
Rysunek 5.3. Układ równowagi fazowej dla pierwiastków
z nieograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym oraz krzywe
chłodzenia: 1) – stopu o składzie C0, 2) - czystego metalu B
Symbole układu oznaczają odpowiednio L – fazę ciekłą, A i B – czyste
składniki stopu, α – roztwór stały A(B), B(A), Cα – zawartość składnika
Strona 67
ROZDZIAŁ 5
B w fazie α, CL – zawartość składnika B w cieczy, C0 – zawartość
składnika B w rozpatrywanym stopie.
Etapy krzepnięcia układu dwuskładnikowego bez przystanku temperaturowego (rysunek 5.3):
•
krzepnięcie pierwszego stopu o składzie, Co (40% składnika
A i 60% składnika B) rozpoczyna się temperaturze TK, wyznaczonej przez punkt przecięcia linii pionowej określającej
jego skład z linią likwidus,
•
kryształy roztworu stałego α krzepnące w temperaturze TK
są bogatsze w składnik A w porównaniu do składu stopu Co.
Skład ich wynosi CaK (80%A i 20%B) i wyznaczany jest
przez punkt przecięcia linii wyznaczającej temperaturę TK
z linią solidus. Powoduje to pozostawienie nadmiaru składnika B w cieczy,
•
w konsekwencji w kolejnych etapach przemiany krystalizuje
ciecz o coraz większym stężeniu składnika B i wraz ze zmianą składu cieczy zmienia się temperatura krzepnięcia. Na
przykład w temperaturze T1, pozostała do zakrzepnięcia
ciecz ma skład CL1 (30% A i 70% B) wyznaczony przez
przecięcie izotermy T1 z linią likwidus), a ciekły stop o tym
składzie krystalizuje w temperaturze T1 < TK (wyznaczonej
przez przecięcie linii określającej jego skład z linią likwidus),
•
ciągły proces wzbogacania cieczy w składnik B powoduje, iż
w kolejnych etapach krzepnięcia przemianie ulega faza ciekła o zmiennym składzie i w konsekwencji mamy ciągły
spadek temperatury krystalizacji, a tym samym brak przystanku temperaturowego na krzywej chłodzenia,
•
równowagowe składy faz dla stopu o składzie C0, w temperaturach od TK do T3, wyznaczają punkty przecięcia izoterm
odpowiednio z linią solidus (krzywa KM) dla fazy stałej
i linią likwidus (krzywa NP) dla fazy ciekłej.
Układy równowagi fazowej z przemianą eutektyczną
Na rysunku 5.4 przedstawiono układ równowagi fazowej z eutektyką dla
składników, które w stanie stałym nie tworzą roztworów – brak rozpuszczalności w stanie stałym.
Strona 68
UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
Rysunek 5.4. Układ równowagi fazowej z eutektyką dla składników
niewykazujących rozpuszczalności w stanie stałym oraz krzywa
studzenia dla stopu o składzie eutektycznym
Przemiana fazowa stopu o składzie CE (oznaczonym na rysunku 5.4
przerywaną linią) zachodzi w układzie trójfazowym – roztwór ciekły i
dwie fazy stałe A i B. Zgodnie z regułą faz Gibbsa układ ma zero stopni
swobody (S = n – f + 1 = 2 – 3 +1 = 0, S = 0) dlatego też przemiana
zachodzi w stałej temperaturze i bez zmiany składu chemicznego poszczególnych faz. Przemiana, w której z fazy ciekłej powstają
jednocześnie dwie fazy stałe (L → A + B) nazywana jest przemianą eutektyczną. W wyniku zajścia przemiany eutektycznej w strukturze stopu
uzyskuje się mieszaninę eutektyczną, która jest mieszaniną dwóch faz.
Na rysunku 5.5 przedstawiono układ równowagi fazowej stopu A – B
z wzajemną graniczną rozpuszczalnością składników. Symbole układu
oznaczają odpowiednio L – fazę ciekłą, A i B – czyste składniki stopu,
α – roztwór stały pierwiastaka B w A oznaczamy też A(B), β – roztwór
stały pierwiastka A w B, oznaczany B(A), TE – temperatura przemiany
eutektycznej, CE – skład cieczy ulegający przemianie eutektycznej.
Z układów równowagi można wyznaczyć stan stopu, czyli: rodzaj, liczbę
faz oraz skład chemiczny poszczególnych faz, z jakich składa się stop o
określonym składzie i w określonej temperaturze.
Stan stopu, zaznaczonego na rysunku 5.5 ciągłą linią pionową, określającą jego skład (C0) przedstawiono poniżej:
Strona 69
ROZDZIAŁ 5
Rysunek 5.5 Układ równowagi fazowej stopu A – B z ograniczoną
rozpuszczalnością w stanie stałym składnika A w B i B w A
Skład chemiczny stopu wynosi 68% składnika B i 32% składnika A
i oczywiście w trakcie chłodzenia nie może ulec zmianie.
Liczbę i rodzaj faz – odczytujemy z układu równowagi dla danej
temperatury:
•
w temperaturze T1 w równowadze są dwie fazy (L + β) faza
ciekła i roztwór w stanie stałym β – B(A)
•
w temperaturze TE w równowadze występują trzy fazy
(L + β + α),
•
w temperaturze T2 stop jest w stanie stałym, a jego struktura
składa się z dwóch faz (α + β): dwa roztwory w stanie
stałym odpowiednio pierwiastka B w A oraz A w B.
Jak już wcześniej wspomniano skład chemiczny poszczególnych faz
wyznacza się z punktów przecięcia odpowiednich izoterm z liniami
wykresu równowagi. W temperaturze T1 i TE skład chemiczny fazy
ciekłej i stałej wyznaczany jest odpowiednio z przecięcia izotermy z liniami likwidus i solidus. Natomiast w temperaturze T2 skład chemiczny
roztworów stałych wyznaczamy z przecięcia izotermy z liniami granicznej rozpuszczalności składnika stopowego.
Strona 70
UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
Tabela 5.1. Skład fazowy i skład chemiczny poszczególnych faz stopu o
składzie C0 w temperaturze T1, T2 i TE,
Temp [oC]
T1
nieznacznie
większa od
TE
T2
Fazy
Oznaczenie
zawartości skł. B
A
[% wag.]
B
[% wag.]
L
CL1
42
58
β
Cβ 1
8
92
L
CE
60
40
β
Cβ E
22
78
α
Cα2
92
8
β
Cβ 2
11
89
32
68
Skład stopu (C0) nie ulega zamianie.
Udział wagowy poszczególnych faz wyznaczany jest z reguły dźwigni,
którą można w prosty sposób wyznaczyć z bilansu masy jednego ze
składników faz będących w równowadze.
W temperaturze T1 w równowadze są dwie fazy (L + β), które zawierają
odpowiednio CL1 i Cβ1 składnika B, a zawartość składnika B w stopie
wynosi Co. Bilans masy składnika B można przedstawić zależnością:
(mL + mβ)C0 = mβ Cβ1 + mLCL1
Z przekształcenia bilansu masy otrzymujemy stosunek udziału fazy L
do β:
mL Cβ 1 − C0 NP
=
=
mβ C0 − C L1 MN
ponieważ mL= (1 – mβ) po kolejnych przekształceniach otrzymujemy
udział poszczególnych faz:
mL =
Cβ 1 − C0
Cβ 1 − CL1
=
NP
C − CL1 MN
i mβ = 0
=
MP
Cβ 1 − CL1 MP
gdzie MN, NP i MP są długościami odcinków zaznaczonych na rysunku 5.5
W temperaturze TE, a dokładniej w temperaturze nieznacznie większej
od TE, gdy w równowadze są jeszcze dwie fazy (L+β) – udział poszczególnych faz wynosi:
Strona 71
ROZDZIAŁ 5
mL = RS/ES, czyli udział procentowy cieczy wynosi L = RS/ES x100%
mβ = ER/ES udział procentowy roztworu β = ER/ES x100%.
W temperaturze TE występują trzy fazy, nie można jednak określić ich
względnych udziałów. Brak możliwości wyznaczenia równowagowego
składu faz dotyczy linii poziomych układu równowagi oraz punktów
określających temperatury topnienia czystych składników stopu, w których w równowadze występują faza ciekła i stała.
W temperaturze T2 – udział procentowy poszczególnych faz wynosi:
α = GH/FH x100% i β = FG/FH x100%.
Z przedstawionych danych wynika, iż krystalizacja stopu o składzie Co,
początkowo przebiega w zmiennej temperaturze od TK do TE, co związane
jest ze zmianą składu chemicznego poszczególnych faz będących w równowadze. Faza ciekła L zmienia swój skład wzdłuż linii likwidus od
stężania pierwiastka B równego Co do CE. W temperaturze TE, stop składa
się z fazy ciekłej i stałej, czyli proces krystalizacji nie został jeszcze
zakończony. Pozostała do zakrzepnięcia ciecz w ilości określonej przez
odcinek RS ma skład eutektyczny. W równowadze są więc trzy fazy
(L, α, β ) i dalszy proces krystalizacji aż do jego zakończenia, powinien
zgodnie z regułą faz, przebiegać w stałej temperaturze.
Rysunek 5.6. Układ równowagi z eutektyką dla stopów ze wzajemną
rozpuszczalnością składników (A, B) w stanie ciekłym i ograniczoną
rozpuszczalnością w stanie stałym oraz przykładowe krzywe chłodzenia
z opisem przemian
Strona 72
UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
Na podstawie analizy układu równowagi fazowej można określić nie
tylko przebieg przemiany ciecz – ciało stałe, ale również przemiany
w stanie stałym zachodzącej w trakcie wolnego grzania lub chłodzenia
poszczególnych stopów.
1. Stop o składzie (1) zawierający 95% pierwiastka B i 5 % pierwiastka A zaczyna krystalizować w temperaturze TK1. Krystalizacja przebiega w zmiennej temperaturze z tworzeniem roztwory
stałego β (L β). Po zakończonej krystalizacji stop składa się
kryształów roztworu stałego pierwiastka A w B (wszystkie atomy pierwiastka A rozmieszczone są w strukturze krystalograficznej pierwiastka B) i jest materiałem jednofazowym. Przy dalszym chłodzeniu nie zachodzą już żadne przemiany fazowe.
Stop w temperaturze otoczenia jest stopem jednofazowym
2. Stop o składzie (2) zawierający 85% pierwiastka B i 15% pierwiastka A zaczyna krystalizować temperaturze TK2. Krystalizacja
przebiega (L β) tak samo jak stopu o składzie (1). Po krystalizacji stop na budowę jednofazową roztworu stałego β. Przy dalszym chłodzeniu, gdy punkt określający stan stopu znajduje się
w polu jednofazowym nie zachodzą przemiany. W miarę chłodzenia stop uzyskuje temperaturę wyznaczoną przez przecięcie
linii określającej jego skład i linii granicznej rozpuszczalności
składnika A w B. W temperaturze tej zaczyna zmniejszać się
rozpuszczalność składnika A w B do wartości 10% w temperaturze otoczenia T0. Ponieważ nasz stop ma teraz większą zawartość pierwiastka stopowego (A) niż może je rozpuścić pierwiastek podstawowy (B), nadmiar pierwiastka stopowego segreguje
w postaci fazy α na granicach ziaren, tworząc obszary o dużej
jego koncentracji (β α) . Stop w temperaturze otoczenia jest
stopem dwufazowym (α + β).
3.
Stop o składzie (3) zawierający 65% pierwiastka B i 35% pierwiastka A zaczyna krystalizować temperaturze TK3. Pierwszy
etap krystalizacji przebiega tak samo jak stopu o składzie (1)
z tworzeniem w zmiennej temperaturze pierwotnych kryształów
fazy β (L β). Wraz z obniżaniem temperatury faza ciekła L
zmienia swój skład wzdłuż linii likwidus i w temperaturze TE
uzyskuje skład eutektyczny. Dalszy proces krystalizacji aż do
jego zakończenia przebiega w stałej temperaturze TE z jednoczesnym tworzeniem dwóch roztworów stałych
α i β (LE α+β). Chłodzenie poniżej TE, w związku z malejąca rozpuszczalnością składnika A w B, powoduje wydzielanie
Strona 73
ROZDZIAŁ 5
z roztworu β nadmiaru pierwiastka A, który segreguje na granicach ziaren, w postaci fazy α (β α). Stop w temperaturze
otoczenia jest stopem dwufazowym (α + β).
4. Stop o składzie eutektycznym (4) zawierający 40% składnika A
i 60% składnika B, krystalizacje w stałej temperaturze TE
z tworzeniem mieszaniny eutektycznej dwóch roztworów stałych
α i β (LE α+β). W związku z malejącą, wraz z obniżeniem
temperatury, rozpuszczalnością składnika A w B i B w A dalsze
chłodzenie stopu (poniżej TE) powoduje wydzielanie fazy
α i β (β α, α β). Stop w temperaturze otoczenia jest również stopem dwufazowym (α + β).
Układ równowagi fazowej z przemianą perytektyczną
Rysunek 5.7. Układ równowagi fazowej z przemianą perytektyczną
dla składników z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym
oraz przykładowe krzywe studzenia.
Kolejny układ równowagi fazowej dla dwóch metali tworzących w stanie stałym roztwory graniczne przedstawiono na rysunku 5.7.
Wynika z niego, że dla stopów o składzie od CR do CS krystalizacja
przebiega w następujących etapach:
•
Strona 74
w pierwszej fazie w zmiennej temperaturze (TK1÷TP) krystalizuje roztwór stałego α (L α). W temperaturze TP stop
składa się z kryształów roztworu stałego αR o stężeniu pierwiastka B wynoszącym CR oraz pozostałej do zakrzepnięcia
cieczy LS o składzie CS,
UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
•
w drugim etapie krystalizacji zachodzi przemiana cieczy LS
i roztworu stałego αR w roztwór β P o składzie CP. Przemiana
ta nazywana jest przemianą perytektyczną i można ją zapisać LS+αRβ P. Biorą w niej udział trzy fazy i zgodnie z regułą faz Gibbsa układ jest niezmienny i przemiana zachodzi
w stałej temperaturze TP.
Przemiana perytektyczna nie byłaby możliwa gdyby w trakcie jej przebiegu nie zachodziła reakcja między cieczą i wcześniej wydzielonymi
kryształami α, polegająca na wzajemnej dyfuzji atomów składnika B
z cieczy do fazy α oraz atomów składnika A z fazy α, przez fazę β, do
cieczy. Pierwsze kryształy fazy β tworzą się na powierzchni kryształów
α, a następnie w wyniku dyfuzji składników rozrastają się aż do zaniku
cieczy lub fazy α..
Stopy o stężeniu pierwiastka B od CR do CP (stop 1 na rysunku 5.7) zawierają pewien nadmiar fazy α w stosunku do ilości potrzebnej do utworzenia w przemianie perytektycznej fazy β P. Dlatego przemiana kończy
się po zaniku cieczy. Stop ma strukturę dwufazową składającą się
z kryształów fazy β i pozostałych (nadmiarowych) kryształów fazy α..
Rysunek. 5.8. Schemat powstawania mieszaniny perytektycznej wg [6]
W przypadku stopów o stężeniu pierwiastka B od CP do CS (stop 2 na
rysunku 5.7) przemiana perytektyczna kończy się po wyczerpaniu kryształów fazy α. Nadmiar cieczy pozostałej do zakrzepnięcia krystalizuje
w zmiennej temperaturze, jako faza β i stop ma strukturę jednofazową.
Na układzie równowagi fazowej, przedstawionym na rysunku 5.7 linie
granicznej rozpuszczalności są pionowe, co wskazuje na stałą graniczną
rozpuszczalność pierwiastka A w B i A w B. Dlatego też po zakończonej
krystalizacji nie będą już zachodziły dalsze przemiany.
Strona 75
ROZDZIAŁ 5
Układ równowagi z fazą międzymetaliczną
Rysunek 5.9. Układy równowagi fazowej z a) związkiem
międzymetalicznym, b) wtórnym roztworem stałym
Rysunek 5.9a przedstawia układ równowagi dla metali, które przy
określonym stężeniu składników (n/m) tworzą fazę międzymetaliczną
o innej strukturze krystalograficznej niż pierwiastki A i B. Faza ta oznaczana jest symbolem AnBm. Na wykresie reprezentuje ją pionowa linia
określająca jej skład (rysunek 5.9a). Linia ta dzieli układ równowagi na
dwie części, co daje nam możliwość rozpatrywania dwóch niezależnych
układów: A – AnBm oraz AnBm – B.
Utworzona przez metale A i B faza międzymetaliczna powstaje w procesie krzepnięcia bezpośrednio z cieczy i jest związkiem trwałym, który
podczas ogrzewania topi się bez wcześniejszego rozkładu. Mogą też
powstawać nietrwałe związki międzymetaliczne, które w trakcie krystalizacji powstają w wyniku przemiany pertektycznej.
Niejednokrotnie fazy międzymetaliczne powstają w szerszym zakresie
stężeń i wtedy na wykresie równowagi fazowej widoczny jest wtórnym
roztwór stały o strukturze związku międzymetalicznego (faza γ na rysunku 5.9b).
Z przedstawionych przykładów wynika, iż dane zawarte w układach
równowagi dają wiele informacji służących do określenia właściwości
stopów z danego układu.
Układy równowagi fazowej przedstawiają w sposób graficzny stan
poszczególnych stopów układu i można na ich podstawie okreslić:
Strona 76
UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
•
liczbę i rodzaj faz, z jakich stop jest zbudowany,
•
skład chemiczny poszczególnych faz,
•
ich udział procentowy.
Parametry te w istotny sposób wpływają na właściwości stopów.
Dodatkowo linie wykresu określają:
•
temperatury początku i/lub końca przemian fazowych
(krzepnięcia, zmiany rozpuszczalności, przemiany alotropowej, tworzenia faz międzymetalicznych itp.) dla danego
składu stopu,
•
przy zmianie temperatury, zmiany składu chemicznego faz
będących w równowadze.
Czyli można na ich podstawie ocenić, jakie przemiany w fazie ciekłej
i stałej zachodzą w stopie w trakcie jego wolnego chłodzenia.
Zmiany stanu stopu określone na wykresach równowagi fazowej odpowiadają warunkom równowagi i nie uwzględniają zjawisk przegrzania
lub przechłodzenia, które w praktyce występują. Dlatego też, poza danymi uzyskanymi z wykresów równowagi należy, uzyskać informacje dotyczące kinetyki poszczególnych przemian fazowych.
Mimo, że rzeczywiste prędkości chłodzenia są często znacznie większe,
to informacje uzyskane z układów równowagi pozwalają na określenie
parametrów obróbek cieplnych oraz świadome kształtowanie struktury
stopów, a tym samym kształtowanie ich właściwości.
5.3. Mechanizm i kinetyka
przemian fazowych
Przemiany fazowe w fazie ciekłej jak i stałej są rezultatem powszechnej
w przyrodzie tendencji każdego układu do osiągnięcia stanu o najniższej
energii. W związku z tym siłą napędową przemian fazowych jest różnica
energii swobodnej fazy wyjściowej i fazy produktu w określonej
temperaturze, wrażonej wzorem:
Strona 77
ROZDZIAŁ 5
∆G = ∆H – T∆S
gdzie: ∆H i ∆S – zmiana odpowiednio entalpii i entropii układu,
T – temperatura.
Rysunek 5.10. Wykresy: energii swobodnej Gibbsa w funkcji temperatury
dla: a) lodu i wody i b) dwóch faz w stanie stałym: α, β
Jeśli pod wpływem bodźca, np. zmiany temperatury, w układzie o określonej energii swobodnej zachodzi przemiana, to układ w nowych warunkach po przemianie uzyskuje mniejszą wartość energii swobodnej.
Ponadto zawsze trwała jest faza o mniejszej energii swobodnej. W temperaturze niższej od TR trwała jest faza β natomiast w temperaturze
wyższej od TR trwała jest faza α (rysunek 5.10b).
Z przedstawionych wykresów na rysunku 5.10 wynika, iż różnica energii
swobodnej, która jest siłą napędową przemiany rośnie wraz ze wzrostem
różnicy temperatur TR – TP. Istnienie siły napędowej nie gwarantuje jednak zajścia przemiany, muszą również wystąpić odpowiednie warunki
umożliwiające jej przebieg.
Dlatego też istotne jest poznanie mechanizmów przemian zachodzących
w stopach metali.
Przemiany fazowe w metalach i ich stopach obejmują krystalizację oraz
przemiany w fazie stałej.
Przemiany w fazie stałej polegają na przekształceniu danej fazy (lub faz)
w inną fazę (lub fazy) różniącą się w stosunku do fazy wyjściowej
strukturą i / lub składem chemicznym.
Przemiany fazowe w stanie stałym zachodzą gdy:
Strona 78
UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
•
występuje zmiana rozpuszczalności składników w roztworze,
•
roztwór stały jest trwały w danej temperaturze i ulega rozkładowi podczas chłodzenia lub grzania.
•
składniki stopu lub fazy międzymetaliczne mają odmiany
alotropowe.
Mechanizm przemian fazowych zachodzących w stanie stałym może
być:
•
dyfuzyjny – wymagający dyfuzji atomów,
•
bezdyfuzyjny – polegający na niewielkim przemieszczeniu
atomów z położeń początkowych (najbardziej znanym przykładem przemiany bezdyfuzyjnej jest przemiana martenzytyczna, która zostanie dokładnie omówiona przy stopach
Fe-C).
Podczas przemian fazowych w układach wieloskładnikowych, prawie
zawsze faza wyjściowa i faza produktu przemiany różnią się pomiędzy
sobą składem chemicznym. Dlatego też większość przemian fazowych
zachodzi z wykorzystaniem mechanizmu dyfuzyjnego składników stopu.
Większość obserwowanych w praktyce przemian fazowych nie zachodzi
jednocześnie w całej objętości materiału. W trakcie przemiany, układ
można podzielić na mikroskopowe obszary, z których pewne doznały
przemiany, podczas gdy inne są jeszcze przed przemianą. Tak, więc
w początkowej fazie przemiany powstają mikroskopijne obszary, od których rozpoczyna się przemiana i proces ten nazywany jest zarodkowaniem. W kolejnym etapie przemiany następuje kontrolowany dyfuzją
rozrost zarodków.
Definicja dyfuzji podaje, iż jest to lokalny przepływ materii pod wpływem działania gradientu potencjału chemicznego w kierunku zmniejszającego się gradientu stężenia.
Zjawisko dyfuzji w ciałach stałych polega na przemieszczaniu rdzeni
atomowych w strukturze materiału. W związku ze zwartym wypełnieniem przestrzeni, proces dyfuzji jest bardzo utrudniony i może zachodzić
tylko w skali atomowej.
Współczynnik dyfuzji D równy liczbowo ilości składnika dyfundującego przez jednostkową powierzchnię w jednostce czasu, przy jednostkowym gradiencie stężenia powodującym dyfuzję jest zależny od temperatury oraz rodzaju materiału, w którym zachodzi dyfuzja.
Strona 79
ROZDZIAŁ 5
D = D0 exp(–Q/RT),
gdzie:
D0 – stała dyfuzji (m2/s) charakterystyczna dla danego materiału (zależy
od rodzaju wiązań międzyatomowych, stopnia wypełnienia sieci krystalicznej, itp.).
Q – energia aktywacji dyfuzji (J/mol dyfundujących atomów),
R – uniwersalna stała gazowa ( J/mol K).
Z równania tego wynika, że współczynnik dyfuzji rośnie wraz ze wzrostem temperatury, co oznacza, że w wyższych temperaturach proces dyfuzji zachodzi łatwiej, a w niskich może być pomijalnie mały. Związane
jest to z faktem, iż średnia energia atomu wynosząca 3kT (k – stała
Boltzmanna), rośnie wraz ze wzrostem temperatury, a tym samym rośnie
prawdopodobieństwo uzyskania przez atom energii równej energii aktywacji, która umożliwia mu przejście w nowe położenie.
Dyfuzja w materiałach polikrystalicznych zachodzi:
•
wzdłuż granic ziaren – Qgr.
•
równolegle do powierzchni – Qpow.
•
przez ziarna krystaliczne – Qobj.
Rysunek 5.11. Drogi i mechanizmy dyfuzji w fazie stałej
a) dyfuzja międzywęzłowa, b) mechanizm wakansowy,
c) mechanizm pierścieniowy
Dyfuzja przez ziarna krystaliczne zachodzi według trzech mechaniżmów: dyfuzja międzywęzłowa (rysunek 5.11 a), mechanizm wakansowy
(rysunek 5.11 b) i mechanizm pierścieniowy (rysunek 5.11 c)
Wartości współczynników dyfuzji można uszeregować następująco:
Dpow. > Dgran. > Dobj.
Strona 80
UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
Wszystkie współczynniki dyfuzji wyraźnie wzrastają wraz ze wzrostem
temperatury, przy czym najszybciej wzrasta wartość Dobj, co oznacza,
że wraz ze wzrostem temperatury rośnie znaczenie dyfuzji objętościowej
przez ziarna krystaliczne.
Z przedstawianych danych wynika, iż na kinetykę przemiany mają
wpływ dwa przeciwstawne czynniki. Rozpatrując przemianę zachodzącą
w trakcie chłodzenia materiału uzyskujemy:
•
z jednej strony przy zwiększaniu przechłodzenia (większa
różnica temperatur TR – TP), uzyskujemy większą wartość
siły napędowej, a tym samym większą szybkość przemiany
związaną między innymi z większą częstością zarodkowania.
•
z drugiej zaś strony zwiększenie przechłodzenia powoduje
zmniejszenie temperatury, a tym samym zmniejszenie zdolności atomów do dyfuzji, co obniża szybkości wzrostu nowo
powstałych kryształów.
W wyniku tego uzyskujemy nieliniowy charakter zmiany prędkości
przemiany dyfuzyjnej w funkcji temperatury.
Rysunek 5.12. Zmiana szybkości przemiany dyfuzyjnej, zachodzącej
w trakcie chłodzenia, w funkcji temperatury
Przy przechłodzeniu TR – TP uzyskujemy maksymalną szybkość przemiany. W sytuacji skrajnej, przy bardzo znacznym przechłodzeniu, możemy uzyskać ogromną siłę napędową, natomiast atomy nie będą zdolne
do przemieszczanie się w sieci krystalicznej i w konsekwencji przemiana
dyfuzyjna nie zajdzie.
Kinetykę przemian fazowych charakteryzuje się za pomocą wykresów
przedstawiających, dla danej temperatury, zależności objętość powstającej fazy w funkcji czasu (jak na rysunku 5.13). W początkowym okresie
wygrzewania w danej temperaturze, nie zachodzi przemiana i na poszczególnych wykresach widoczne są okresy inkubacji niezbędne do jej
Strona 81
ROZDZIAŁ 5
rozpoczęcia (Pn). W miarę dalszego wygrzewania w określonej temperaturze Tn przemiana się rozpoczyna i przebiega aż do jej zakończenia
(Kn). Z krzywych kinetycznych przenosi się punkty odpowiadające
początkowi przemiany Pn oraz punkty odpowiadające końcowi przemiany na wykres w układzie współrzędnych czas (w skali logarytmicznej) –
temperatura. Krzywe na nowo otrzymanym wykresie CTP (czas, temperatura, przemiana) posiadają kształty litery C. Jedna z nich jest zbiorem
punktów, których współrzędne określają parametry (temperatura, czas),
przy których przemiana się rozpoczyna druga zaś przedstawia parametry,
przy których przemiana się kończy.
Dodatkowo na wykresach CTP dla poszczególnych stali nanoszone są
rodzaje struktur, jakie można otrzymać w zależności od stopnia przechłodzenia. Wykresy CTP opracowywane są dla większości gatunków
stali w dwóch wariantach, CTPC (przy ciągłym chłodzeniu) oraz CTPi
(w warunkach izotermicznych), a dane na nich zawarte służą do projektowania procesów obróbki cieplnej.
Rysunek 5.13. Metoda ustalania przebiegu wykresu CTPi
Strona 82
UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ
Strona 83
`
6
Stopy żelazo – węgiel
W tym rozdziale:
o
o
Układ równowagi żelazo – węgiel
Przemiany w stopach żelazo – węgiel
STOPY ŻELAZO – WĘGIEL
6.1. Układ równowagi Fe-C
Czyste żelazo jest lśniącym, srebrzystym miękkim i stosunkowo trudnotopliwym metalem o gęstość ρ = 7,87 Mg/m3.
Do technicznych odmian żelaza zalicza się: żelazo chemicznie czyste,
otrzymywane przez redukcję tlenków, żelazo elektrolityczne, żelazo
karbonylkowe, otrzymywane w postaci proszku przez dysocjację termiczną pięciokarbonylku żelaza oraz żelazo armco i svea otrzymywane
metodami metalurgicznymi.
Tabela 6.1. Właściwości mechaniczne technicznego żelaza
Żelazo elektrolityczne –
zawartość domieszek
(0,02 ÷0,07%)
Żelazo karbonylkowe
– zawartość domieszek
(0,01÷0,7%)
40÷45 HB
50÷80 HB
Wytrzymałość
na rozciąganie
Rm=180÷250 [MPa]
Rm=200÷270 [MPa]
Granica plastyczności
Re = 100÷140 [MPa]
Re = 90÷170 [MPa]
A10 = 50÷ 40 [%]
A10 = 40÷30 [%]
E = 206000 [MPa]
E = 203000 [MPa]
Twardość
Wydłużenie
Moduł sprężystości
Żelazo jest pierwiastkiem występującym w dwóch odmianach krystalograficznych Feα o strukturze regularnej przestrzenie centrowanej (RPC,
A2) oraz Feγ o strukturze regularnej ściennie centrowanej (RSC, A1)
dlatego na krzywej chodzenia poza krystalizacją widoczne są również
przemiany alotropowe.
Odmiana alotropowa Feα w zakresie temperatur od 20÷768°C charakteryzuje się znaczną przenikalnością magnetyczną i jest zaliczana do ciał
ferromagnetycznych. W temperaturze 768°C traci właściwości ferromagnetyczne, nie zmieniając sieci krystalicznej i w zakresie temperatury
770÷912°C występuje, jako odmiana alotropowa paramagnetyczna.
Strona 85
ROZDZIAŁ 6
Rysunek 6.1. a) Przemiany fazowe w trakcie chłodzenia czystego żelaza
b) zmiana parametru sieci krystalograficznej żelaza w zależności od
temperatury
Jeśli jeden ze składników stopu ma dwie odmiany alotropowe, to bardzo
często w takich układach poza przemianą alotropową występują w stanie
stałym przemiany eutektoidalna i perytektoidalna.
Przemiana alotropowa jest przemianą jednej struktury krystalograficznej na inną (α γ).
Przemiana eutektoidalna jest przemianą, w której biorą udział trzy
fazy. Faza stała przemienia się jednocześnie w dwie inne fazy stałe
(α β + γ).
Przemiana perytektoidalna to przemiana, podczas której w czasie
chłodzenia, dwie fazy stałe reagują ze sobą i powstaje jedna – nowa faza
stała (α + β γ).
Podstawą wszelkich rozważań w metaloznawstwie stopów żelaza z węglem jest układ równowagi fazowej Fe – C. Układ ten ma ogromne znaczenie praktyczne, ponieważ występujące w nim przemiany stanowią
podstawę otrzymywania powszechnie stosowanych stopów żelaza z węStrona 86
STOPY ŻELAZO – WĘGIEL
glem (stali i żeliwa) stanowiących 90% udziału masowego wszystkich
metalicznych materiałów konstrukcyjnych.
Wykres ten ma dwie wersje:
•
metastabilną odnosząca się do układu Fe – Fe3C (linia
ciągła),
•
stabilną – opisującą układ Fe – grafit (linia przerywana).
Wykres Fe – Fe3C odzwierciedla równowagę fazową w stalach oraz surówkach i żeliwach białych, a wykres Fe – grafit opisuje równowagę
w stopach zawierających węgiel w postaci wolnej – grafitu.
Ponieważ w rzeczywistych warunkach krystalizacji pierwotnej, stopów
Fe – C, przemiany zachodzą zgodnie z układem Fe–Fe3C, dlatego został
on zbadany dokładniej i jest stosowany powszechnie. Układ żelazo
węgiel jest układem złożonym, w którym występują przemiany
eutektyczna, perytektyczna i eutektoidalna. Analiza mikrostruktur, jakie
tworzą się w tym układzie pod wpływem zmian zawartości węgla i
zachodzących przemian jest podstawą wielu procesów technologicznych
stosowanych do stopów Fe – C. Dzięki tym przemianom stosując różne
zabiegi cieplne można kształtować i otrzymywać różne mikrostruktury, a
w konsekwencji wymagane właściwości mechaniczne stopów żelaza.
Składniki fazowe układu Fe–C
Ferryt (α) – Międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feα o strukturze
regularnej przestrzennie centrowanej. Małe rozmiary luk w sieci Feα są
przyczyną małej rozpuszczalności węgla. Maksymalna rozpuszczalność
węgla w żelazie wynosi od 0,02% (wag.) w temperaturze przemiany
eutektoidalnej do 0,008% w temperaturze pokojowej. Ferryt jest składnikiem miękkim (ok. 80 HB) o stosunkowo niewielkiej wytrzymałości
(Rm = 300 MPa) i znacznym wydłużeniu (A5 = 40%) wg [7].
Austenit (γ) – Międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feγ o strukturze
regularnej ściennie centrowanej. Stosunkowo duże rozmiary luk sieciowych umożliwiają znacznie większą rozpuszczalność węgla. Rozpuszczalność węgla wynosi od 0,8% w temperaturze przemiany eutektoidalnej do 2,11% w temperaturze przemiany eutektycznej. Austenit
charakteryzuje się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi
(Rm ≈ 750MPa, twardość ~ 200HB) oraz bardzo dobrymi plastycznymi
(A5 ≈ 50%) wg [7].
Strona 87
ROZDZIAŁ 6
Cementyt (Fe3C) – Metastabilny węglik żelaza o strukturze rombowej
z dominującym wiązaniem metalicznym między atomami Fe i kowalencyjnym między atomami Fe i C. Zawartość węgla w cementycie wynosi
6,67% wag. (25% at.). Jest twardą i kruchą fazą (ok. 800 HB), wydzielającą się w trakcie chłodzenia w różnych zakresach temperatury jako:
cementyt pierwszorzędowy – podczas krzepnięcia,
cementyt drugorzędowy – wydziela się z austenitu w wyniku malejącej
rozpuszczalności węgla w Feγ wraz z obniżaniem temperatury oraz jako
jeden ze składników mieszaniny eutektoidalnej,
cementyt trzeciorzędowy – podczas obniżania temperatury stopu wydziela się z ferrytu wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w Feα
wg [7].
Grafit – sieć heksagonalna powstaje w wyniku powiązania heksagonalnych warstw atomowych siłami van der Waalsa. Grafit jest bardzo miękki, wysoką wytrzymałość ma tylko wzdłuż równoległych heksagonalnych płaszczyzn, w których występuje wiązanie kowalencyjne. Właściwości wytrzymałościowe grafitu są tak małe, że jego wydzielenia
traktowane są, jako nieciągłość metalowej osnowy stopu. O właściwościach stopów z grafitem (żeliwa szare) decyduje kształt, wielkość i rozmieszczenie wydzieleń grafitu.
Układ równowagi, którego wykres przedstawiono na rysunku 6.2, opisany jest fazowo. Na rysunku α oznacza roztwór stały węgla w odmianie
alotropowej Feα, γ – roztwór stały węgla w odmianie alotropowej Feγ,
natomiast węglik żelaza oznaczony jest wzorem Fe3C. W temperaturze
otoczenia istnieją tylko dwie fazy: α i Fe3C, których udziały w stopach
zależą od zawartości węgla.
Strona 88
STOPY ŻELAZO – WĘGIEL
Rysunek 6.2. Wykres układu równowagi fazowej Fe – C
W układzie obok przemian alotropowych żelaza zachodzą następujące
przemiany:
•
w temperaturze 1496 °C zachodzi przemiana perytektyczna,
w wyniku, której wcześniej powstałe kryształy fazy α reagując z roztworem ciekłym L, tworzą kryształy fazy γ:
α+Lγ
•
w temperaturze 1148 °C roztwór ciekły o składzie takim jak
w punkcie C, krzepnąc, przechodzi w mieszaninę eutektyczną dwóch faz stałych: cementytu (Fe3C) i nasyconego
roztworu stałego γ o składzie punktu E:
LC Fe3C + γE
•
w temperaturze 727°C faza γ o składzie jak w punkcie S
ulega rozpadowi na mieszaninę eutektoidalną złożoną z ceStrona 89
ROZDZIAŁ 6
mentytu (Fe3C) i nasyconego roztworu stałego α o składzie
jak w punkcie P:
γS Fe3C + αP
Przemiana eutektoidalna jest podstawą kształtowania mikrostruktury,
a tym samym właściwości stali.
Jeżeli rozważyć, jako pierwszy, stop o składzie eutektoidalnym (zawierający 0,8% węgla) i rozpatrzyć przemiany zachodzące podczas chłodzenia
austenitu, to w początkowym okresie chłodzenia zachodzi jednie schłodzenie austenitu (obszar jednofazowy – nie zachodzą żadne przemiany).
Z chwilą osiągnięcia przezeń temperatury przemiany eutektoidalnej, austenit rozpada się w mieszaninę, ułożonych na przemian, płytek ferrytu i
cementytu drugorzędowego – zwaną perlitem.
przemiana eutektoidalna (perlityczna)
γ α + Fe3C
γ (roztwór węgla w żelazie RSC zawierający 0,8% wag. C) α (roztwór węgla w żelazie RPC zawierający 0.02% wag. C) +
Fe3C (zawierający 6,67 % wag. C).
Rysunek 6.3. Mikrostruktury oraz krzywa chłodzenie stali eutektoidalnej
Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, która składa się z etapu
zarodkowania i wzrostu dyfuzyjnego nowej fazy. Rozpoczyna ją zaStrona 90
STOPY ŻELAZO – WĘGIEL
rodkowanie cementytu na granicach ziaren austenitu. Zawartość węgla
w austenicie zmniejsza się na skutek rozrastania się zarodków cementytu, aż w końcu austenit podlega przemianie alotropowej Feγ Feα.
Po zakończeniu przemiany, która odbywa się w stałej temperaturze, następuje obniżenie temperatury, któremu, ze względu na zmniejszającą się
rozpuszczalność węgla w ferrycie (ze spadkiem temperatury), towarzyszy wydzielanie cementytu trzeciorzędowego.
W przypadku stali podeutektoidalnej (zawierającej mniej niż 0,8% węgla) po początkowym ochładzaniu austenitu w temperaturze odpowiadającej punktowi 1 na rysunku 6.4 zaczyna wydzielać się ferryt z austenitu,
powodując wzrost stężenia węgla w Feγ aż do zawartości punktu eutektoidalnego. Z chwilą osiągnięcia temperatury przemiany eutektoidalnej,
pozostały austenit (zawierający 0,8% węgla) rozpada się w mieszaninę,
ułożonych na przemian, płytek ferrytu i cementytu drugorzędowego –
zwaną perlitem.
Rysunek 6.4. Mikrostruktury oraz krzywa chłodzenie stali
podeutektoidalnej
W przypadku stali nadeutektoidalnej (zawierającej powyżej 0,8% węgla)
po początkowym ochładzaniu austenitu w temperaturze odpowiadającej
punktowi 1 na rysunku 6.5, ze względu na zmniejszającą się wraz ze
spadkiem temperatury rozpuszczalność węgla w austenicie, zaczyna wyStrona 91
ROZDZIAŁ 6
dzielać się cementyt zawierający 6,67% węgla. Wraz z wydzielaniem
cementytu następuje spadek zawartości węgla w austenicie aż do zawartości odpowiadającej punkowi eutektoidalnemu. Z chwilą osiągnięcia
temperatury przemiany eutektoidalnej, austenit (zawierający 0,8% węgla) podlega przemianie perlitycznej.
Rysunek 6.5. Mikrostruktury oraz krzywa chłodzenie stali
nadeutektoidalnej
Stal podeutektoidalna składa się z ziaren perlitu i ferrytu, podczas gdy w
stali nadeutektoidalnej z ziaren perlitu w otoczce cementytu. Udział
ferrytu i cementytu jest funkcją „odchylenia” składu stali od punktu
eutektoidalnego i będzie tym większa im bardziej zawartość węgla w Fe
różni się od zawartości 0,8%C.
Z przestawionych danych wynika, że dla dwufazowych stopów żelaza
z węglem (α +Fe3C) można, w zależności od zawartości węgla, uzyskać
rożne struktury. Na rysunku 6.6 przedstawiono strukturalny układ równowagi Fe–Fe3C.
Strona 92
STOPY ŻELAZO – WĘGIEL
Rysunek 6.6. Strukturalny układ równowagi Fe–Fe3C
Ledeburyt – Mieszanina eutektyczna austenitu i Fe3C(I) (pierwszorzędowego), powstająca podczas krzepnięcia ciekłego stopu o zawartości
4,3%C. Ledeburyt jest składnikiem, tzw. żeliwa białego o bardzo dużej
twardości.
Perlit – Mieszanina eutektoidalna ferrytu i Fe3C(II) (drugorzędowego),
powstająca z rozpadu austenitu o zawartości 0,8%C. Perlit ma najczęściej budowę płytkową, w której płytki ferrytu są ułożone na przemian
z płytkami cementytu drugorzędowego.
Strona 93
ROZDZIAŁ 6
6.2. Przemiany w stopach Fe-C
Przemiana perlityczna
Jak już stwierdzono w rozdziale 5 szybkość przemian dyfuzyjnych w dużym stopniu zależna jest od temperatury. Dlatego też kinetykę przemiany perlitycznej wygodnie jest rozpatrzyć na podstawie wykresu CTP.
Rysunek 6.7. Schematyczny wykres CTP dla stali eutektoidalnej wg [13]
Z przedstawionego wykresu CTP wynikają następujące wnioski:
Strona 94
•
przemiana austenitu w perlit rozpoczyna się przy pewnym
przechłodzeniu, gdy energia mieszaniny ferrytu i cementytu
stanie się mniejsza od energii swobodnej austenitu,
•
przemiana perlityczna wykazuje pewien okres inkubacji,
w którym następuje wstępna dyfuzja węgla w austenicie,
•
nieco poniżej temperatury 723°C okres inkubacji przemiany
austenitu jest bardzo długi, a szybkość przemiany bardzo
mała,
•
ze wzrostem stopnia przechłodzenia szybkość przemiany austenitu znacznie wzrasta i osiąga maksimum w temperaturze
STOPY ŻELAZO – WĘGIEL
około 550°C, w której okres inkubacyjny jest najkrótszy,
a szybkość przemiany maksymalna,
•
w miarę dalszego obniżania temperatury szybkość przemiany przechłodzonego austenitu maleje i w temperaturze
około 280°C istnieje drugi zakres minimalnej szybkości jego
rozkładu,
•
poniżej temperatury MS linie początku i końca przemiany
austenitu zanikają, co wskazuje, że zachodząca przemiana
austenitu ma inny charakter niż w wyższych temperaturach.
W temperaturach niższych od Ms zachodzi bezdyfuzyjna przemiana
austenitu zwana przemianą martenzytyczną.
Czyli ze względu na charakter zachodzących przemian możemy na wykresie wyróżnić trzy zakresy temperaturowe:
723˚C ÷ 550˚C – przemiana perlityczna,
550˚C ÷ Ms (280°C) – przemian bainityczna,
Ms ÷ Mf przemiana martenzytyczna.
Cechy przemiany (dyfuzyjnej) perlitycznej w stopach Fe – C
•
atomy przemieszczają się na odległości od 1 do 106 odległości międzyatomowych w wyniku aktywowanego cieplnie
procesu dyfuzji,
•
zgodnie z układem równowagi zachodzi zmiana składu chemicznego faz biorących udział w przemianie,
•
zachodzi przy pewnym stopniu przechłodzenia, przy większym przechłodzeniu powstają drobniejsze płytki perlitu,
wzrost stopnia dyspersji perlitu powoduje wzrost właściwości wytrzymałościowych.
•
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 metastabilny austenit,
Strona 95
ROZDZIAŁ 6
•
może zachodzić w warunkach izotermicznych oraz podczas
ciągłego chłodzenia,
•
szybkość przemiany w znacznym stopniu zależna jest od
temperatury,
•
zasięg przemiany zależy od czasu i temperatury.
Przemiana bainityczna
Przemiana bainityczna jest również przemianą dyfuzyjną. Zachodzi przy
dużym przechłodzeniu austenitu, jednak z zachowaniem znaczącej
dyfuzji węgla. Bainit otrzymuje się przy izotermicznym chłodzeniu stali.
•
w temperaturze powyżej 400°C powstaje bainit górny. Przemiana rozpoczyna się od dyfuzji węgla, prowadzącej do jego
segregacji w austenicie. W mikroobszarach o małej zawartości węgla zachodzi przemiana alotropowa Feγ Feα.
Dzięki dyfuzji węgla do austenitu zarodki ferrytu rozrastają
się w postaci igieł, a na granicy fazowej austenit – ferryt
powstają drobne wydzielenia cementytu. Ferryt pozostaje
nieznacznie przesycony węglem. Bainit górny w porównaniu
z drobnym perlitem ma nieznacznie większą wytrzymałość
i twardość przy zachowaniu dobrej plastyczności.
•
w temp poniżej 400°C powstaje bainit dolny. Przemiana zachodzi podobnie jak w przypadku bainitu górnego, jednak
z powodu bardziej utrudnionej dyfuzji zarodkowanie cementytu odbywa się wewnątrz igieł ferrytu. Im niższa temperatura tym mniej jest węglików, a stopień przesycenia węglem
ferrytu wzrasta. Bainit dolny zwiększa wytrzymałość i twardość przy zachowaniu stosunkowo dobrej plastyczności.
Przemiana martenzytyczna
Przemiana martenzytyczna zachodzi w wyniku dużego przechłodzenia
austenitu uzyskiwanego przez szybkie chłodzenie. Najmniejsza szybkość
chłodzenia w wyniku, której austenit przechodzi w martenzyt, nazywana
jest krytyczną szybkością chłodzenia. Prędkość chłodzenia musi być na
tyle duża, aby ominąć „nos” krzywych C na wykresie CTP (jak na
rysunku 6.8). Przemiana martezytyczna rozpoczyna się w temperaturze
Strona 96
STOPY ŻELAZO – WĘGIEL
Ms przemianą alotropową Feγ Feα, ze względu na niską temperaturę,
bez udziału dyfuzji umożliwiającej wydzielanie węgla. Martenzyt
powstaje na granicach ziaren austenitu i natychmiast gwałtownie rośnie
przyjmując kształt płaskich soczewek. Jest, więc on przesyconym
roztworem stałym węgla w Feα. Nadmiar węgla w strukturze Feα
zniekształca komórkę elementarną żelaza α, tak że po przemianie
martenzyt ma sieć tetragonalną. Atomy węgla lokują się wzdłuż jednego
kierunku komórki sześciennej rozpychając ją, co powoduje wzrost
objętości właściwej o ok. 2%.
Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie
temperatury od Ms do Mf. W stałej temperaturze powstawanie martenzytu ustaje, ponieważ powstałe podczas wzrostu soczewek odkształcenie
płaszczyzn sieciowych, powoduje wzrost energii układu a tym samym
zmniejszenie siły napędowej przemiany. Martenzyt ma strukturę iglastą,
ponieważ soczewki przesyconego węglem ferrytu, w płaszczyźnie przecięcia (wykonanie zgładu metalograficznego) są podobne do igieł. Martenzyt ma bardzo dobre właściwości wytrzymałościowe oraz wysoka
twardość związane jest to z powstaniem drobnej struktury iglastej oraz
dużym przesyceniem żelaza węglem.
Rysunek 6.8. Schematyczny wykres CTP dla przemiany bezdyfuzyjnej
RSC ŕ RPC w żelazie wg [13]
Strona 97
ROZDZIAŁ 6
Rysunek 6.9. a) Schemat komórki elementarnej Feα i Feγ
b) Schemat przebudowy sieci regularnej ściennie centrowanej w sieć
tetragonalną przestrzennie centrowaną wg [13]
Cechy przemiany (bezdyfuzyjnej) martenzytycznej w stopach
Fe – C
Strona 98
•
atomy zmieniają swoje położenie w wyniku rozerwania dotychczasowych i tworzenia nowych wiązań atomowych
i przemieszczenia na odległości mniejsze od odległości międzyatomowych,
•
polega na skoordynowanym przemieszczeniu atomów bez
zmiany sąsiedztwa – atomy przemieszczają się jeden po drugim w ściśle określonej kolejności,
•
nie zachodzi zmiana składu chemicznego faz biorących
udział w przemianie,
•
zwykle nie zachodzi do końca – pozostaje niewielka ilość
austenitu szczątkowego,
•
produktem przemiany jest martenzyt o właściwościach zależnych od zawartości węgla oraz o objętości właściwej
większej od objętości austenitu,
•
pomiędzy sieciami austenitu i martenzytu zachowana jest
ścisła zależność orientacji – martenzyt jest koherentny z sięcią austenitu,
•
wymaga ciągłego chłodzenia między Ms oraz Mf ,
STOPY ŻELAZO – WĘGIEL
•
szybkość przemiany nie zależy od temperatury,
•
zasięg przemiany zależy jedynie od temperatury.
Przemiany podczas odpuszczania martenzytu
Martenzyt jest strukturą metastabilną, która przy nieznacznym podgrzaniu zaczyna ulegać przemianom prowadzącym do uzyskania struktur
równowagowych. Odpuszczanie polega na nagrzaniu wyrobu o strukturze martenzytycznej do temperatury umożliwiającej dyfuzję węgla
z martenzytu.
•
W pierwszym stadium (80÷200°C) z martenzytu wydzielają
się ultradyspersyjne płytki metastabilnego węglika ε o składzie chemicznym zapisanym w postaci wzoru stechiometrycznego Fe2C–Fe2.4C. Tworzenie węglika odbywa się
kosztem zmniejszenia przesycenia martenzytu, dzięki czemu
jego tetragonalność systematycznie maleje. Przemiana
w tym zakresie związana jest ze skurczem próbki. Właściwości – duża twardość i odporność na ścieranie.
•
W zakresie temperatur 200÷300°C, zachodzi dalsze wydzielania węglika ε, martenzyt przekształca się w martenzyt regularny oraz przekształcenie pewnej ilości austenitu szczątkowego w martenzyt, czego efektem jest wzrost twardości
o 2÷3 HRC przy równoczesnym zwiększeniu właściwości
plastycznych. Ponieważ objętość właściwa austenitu jest
mniejsza niż martenzytu, w tym stadium przemiany obserwuje się rozszerzanie się próbki.
•
W kolejnym etapie (300÷400°C) zachodzi całkowity zanik
przesycenia Feα zaś stosunkowo szybka dyfuzja umożliwia
równoległe wydzielanie cementytu i przekształcanie węglika
ε w Fe3C, który jest bardziej stabilny. W ten sposób powstaje drobnodyspersyjna mieszanina ferrytu i Fe3C.
•
W ostatnim, czwartym stadium odpuszczania, przebiegającym w temperaturze powyżej 400°C, dokonuje się wzrost
submikroskopowych wydzieleń cementytu, który przybiera
postać sferoidalną. W najwyższych temperaturach odpuszczania procesami dominującymi staje się rozrost ziarna i cementytu drobnoziarnistego, który nosi nazwę sorbitu (odznaStrona 99
ROZDZIAŁ 6
cza się z reguły wyższą granicą plastyczności i wyższym
wydłużeniem i przewężeniem niż ta sama stal o strukturze
perlitycznej).
Strona 100
`
7
Wpływ węgla
i dodatków stopowych
na strukturę
i właściwości
stopów układu Fe-C
W tym rozdziale:
o
o
o
Wpływ zawartości węgla na mikrostrukturę
i właściwości stali
Wpływ dodatków stopowych na strukturę
i właściwości stali
Wpływ węgla i dodatków stopowych na strukturę
i właściwości żeliw
ROZDZIAŁ 7
Właściwości mechaniczne stopów w dużej mierze związane są ze strukturą stopów, (wielkością ziarna ich kształtem oraz sposobem rozłożenia
faz, itp.). Stopy metali mogą charakteryzować się strukturą jedno lub
dwu fazową. W przypadku stopów jednofazowych podstawowymi czynnikami wpływającymi na właściwości są: wielkość i kształt ziaren,
rodzaj, wielkość, rozmieszczenie i kształt zanieczyszczeń oraz skład
chemiczny ziaren. W stopach dwufazowych dodatkowymi czynnikami
wpływającymi na właściwości stopu są: właściwości współistniejących
faz, udział procentowy poszczególnych faz, wzajemnie ich
rozmieszczenie, wielkość, kształt i rozmieszczenie faz międzymetalicznych.
Im drobniejsze i bardziej równomiernie rozłożone są wydzielania faz
międzymetalicznych tym stop jest bardziej wytrzymały. Na przykład,
w miarę zmniejszania się średnicy sferoidalnych wydzieleń cementytu
od 2 do 0,2 µm twardość stali węglowych wzrasta odpowiednio od 190
do 400 HB wg [1]. Odpowiedzenie kierowanie czynnikami takim jak
skład chemiczny (dodatki stopowe) oraz obróbka cieplna, wpływającymi
na strukturę stopu pozwala na uzyskiwanie optymalnych właściwości dla
danego zastosowania materiału.
Stopy żelaza z węglem w zależności od zawartości węgla dzielimy na
2 podstawowe grupy:
•
stale zawierające do 2 % węgla,
•
żeliwa zawierające od 2% do 4,5% węgla.
Stal – Jest przerobionym plastycznie technicznym stopem żelaza z węglem i innymi pierwiastkami zawierający masowo więcej żelaza niż
jakiegokolwiek innego pierwiastka oraz o zawartości węgla w zasadzie
mniejszej niż 2%. Ograniczona liczba stali chromowych może zawierać
więcej, niż 2 %, lecz 2% jest ogólnie przyjętą wartością odróżniającą stal
od żeliwa.
Stale, w których głównym składnikiem stopowym jest węgiel nazywamy
stalami niestopowymi. Prócz węgla zawierają one również inne pierwiastki pochodzące z rudy i procesów metalurgicznych.
Stale, do których wprowadza się świadomie w odpowiednich ilościach
dodatkowe składniki w celu uzyskania określonych właściwości mechanicznych, fizycznych czy chemicznych nazywamy stalami stopowymi.
Strona 102
WPŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI
STOPÓW UKŁADU Fe-C
W obu grupach stali pierwiastki, które do ich składu chemicznego przechodzą z rudy i procesów metalurgicznych dzieli się na dwie grupy:
zanieczyszczenia (jak P, S, O2, H2, N2) obniżające właściwości i dodatki
(domieszki), które wprowadza się w czasie wytopu stali w celu jej odtlenienia (Si i Al) i związania siarki (Mn).
Wpływ zawartości węgla na strukturę
i właściwości stali
Na podstawie układu Fe–Fe3C i udziału głównego składnika stopowego
– węgla, stale dzieli się na: stale podeutektoidalne (do 0,8%C), stale
eutektoidalne (0,8%C) i nadeutektoidalne (0,8%÷2,06%C). W zależności
od zawartości węgla stale niestopowe uzyskują struktury:
•
stal podeutektoidalna ferrytyczno – perlityczną,
•
stal eutektoidalna perlityczną,
•
stal nadeutektoidalna perlityczną z cementytem wtórnym.
Przy zawartościach węgla mniejszych od 0,1% stal ma strukturę ferrytyczną.
W stalach niestopowych pierwiastkiem decydującym o właściwościach
mechanicznych jest węgiel. Wzrost jego zawartości powoduje powiększenie się udziału cementytu odpowiedzialnego za umocnienie stopu,
gdyż druga faza, występująca w mikrostrukturze, czyli ferryt jest roztworem stałym o niskich właściwościach wytrzymałościowych. Cementyt
powoduje wzmocnienie stopów żelaza z węglem stanowiąc niejako zbrojenie plastycznej osnowy ferrytycznej. W stalach podeutektoidalnych
(zawierających 0,02÷0,8 %C) większa część cementytu występuje w perlicie, którego udział w strukturze zwiększa się wraz ze wzrostem zawartości węgla i przy zawartości 0,8%C w strukturze występuje sam perlit.
Dalszy wzrost zawartości węgla powoduje utworzenie się siatki cementytu drugorzędowego na granicach ziaren perlitu.
Zmiany mikrostrukturalne spowodowane zwiększeniem zawartości węgla pociągają za sobą wzrost właściwości wytrzymałościowych (rysunek 7.1). Twardość HB wraz ze zwiększaniem zawartości węgla wzrasta.
Wytrzymałość na rozciąganie (Rm) rośnie do zawartości węgla ok. 1%,
a powyżej tej zawartości zaczyna się obniżać. Przyczyną tego jest pojaStrona 103
ROZDZIAŁ 7
wienie się na granicach ziaren perlitu ciągłej siatki cementytu drugorzędowego, co powoduje, że stal staje się krucha i łatwiej ulega pękaniu.
Rysunek 7.1. Wpływ zawartości węgla na właściwości mechaniczne
stali niestopowych wg [8]
Właściwości plastyczne stali niestopowych: wydłużenie A, przewężenie
Z i udarność KC ze wzrostem zawartości węgla maleją. Obniżają się
również właściwości technologiczne jak podatność na odkształcenie itp.
Podane na wykresie (rysunek 7.1) zależności odnoszą się do stanu
bliskiego równowagi.
Wpływ dodatków stopowych na strukturę
i właściwości stali
Dodatki stopowe do stali wprowadza się w celu:
Strona 104
•
zwiększenia właściwości wytrzymałościowych
(umocnienie roztworowe i wydzieleniowe),
•
wywołania zmian strukturalnych,
•
uzyskania specjalnych właściwosci fizycznych i chemicznych (np. odporności na korozję) oraz technologicznych,
stopów
WPŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI
STOPÓW UKŁADU Fe-C
•
i zwiększenia hartowności,
W zależności od ilości i rodzaju pierwiastków stopowych mogą one:
•
rozpuszczać się w ferrycie lub austenicie,
•
tworzyć z żelazem lub między sobą fazy międzymetaliczne,
•
tworzyć węgliki, azotki lub węgliko – azotki,
•
występować w stanie wolnym.
Pierwiastki stopowe rozpuszczone w ferrycie lub austenicie wpływają
głównie na:
•
właściwości mechaniczne ferrytu i austenitu,
•
zmianę temperatur przemian alotropowych żelaza oznaczanych A3 i A41 ,
•
szybkość dyfuzji,
•
zmianę temperatur początku (MS) i końca (Mf) przemiany
martenzytycznej,
•
przemiany przy odpuszczaniu.
Wpływ pierwiastków stopowych na właściwości ferrytu
Pierwiastki stopowe w stalach niskostopowych rozpuszczając się w ferrycie tworzą roztwór stały różnowęzłowy, co powoduje zniekształcenie
sieci krystalicznej, a tym samym umocnienie roztworowe i w konsekwencji wzrost właściwości wytrzymałościowych i spadek właściwości
plastycznych (rysunek 7.2) Największy efekt umocnienia wywołują
mangan i krzem nie powodując do zawartości 1% zmiany udarności.
Dlatego też pierwiastki te często są składnikami stali konstrukcyjnych.
Umocnienie roztworowe pierwiastkami stopowymi stali nie ulega likwidacji w wyniku jej przegrzania. Dlatego też stale te podczas spawania
lub pracy w podwyższonych temperaturach (np. narzędzia skrawające)
nie tracą swoich właściwości wytrzymałościowych.
1
A3 – przemiana zachodząca w czystym żelazie w temperaturze 910 °C, a w stopach
oznacza temperaturę, przy której w trakcie chłodzenia rozpoczyna się wydzielanie
ferrytu z austenitu – na rysunku 6.2 linia GS. A4 – przemiana zachodząca w czystym
żelazie w temperaturze 1390 °C – na rysunku 6.2 linia NJ.
Strona 105
ROZDZIAŁ 7
Pozostałe silnie węglikotwórcze pierwiastki nie powodują znacznego
umocnienia ferrytu. Tworzą natomiast węgliki – w stalach narzędziowych wywołując umocnienie wydzieleniowe małymi cząstkami
twardych faz.
Rysunek 7.2. Wpływ zawartości pierwiastków stopowych na właściwości
mechaniczne: a) twardości, b) wytrzymałość na rozciąganie,
c) udarność, d) przewężenie wg [8]
Wpływ pierwiastków stopowych na rozrost ziarna austenitu
Skłonność stali do drobnoziarnistości lub gruboziarnistości zależy od
składu chemicznego oraz sposobu odtlenienia stali. Większość dodatków
stopowych zmniejsza skłonność ziarna austenitu do rozrostu.
Węglikotwórcze pierwiastki stopowe takie jak molibden, wanad,
wolfram i tytan tworzą trudno rozpuszczalne dyspersyjne węgliki, które
są barierami hamującymi rozrost ziaren austenitu. Podobnie działa
aluminium dodawane do stali, jako odtleniacz. Tworzy ono w stalach
Strona 106
WPŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI
STOPÓW UKŁADU Fe-C
trudnotopliwe tlenki i azotki, które w postaci bardzo drobnych wydzieleń
ułożonych na granicach ziaren skutecznie hamują ich rozrost, dopóki nie
ulegną rozpuszczeniu. Struktura drobnoziarnista zapewnia wyższe
właściwości mechaniczne, szczególnie rośnie udarność i granica
plastyczności w porównaniu do struktury gruboziarnistej. Duże ziarno
poprawia natomiast skrawalność i zwiększa hartowność.
Wpływ dodatków stopowych na przemiany alotropowe żelaza
i strukturę stali stopowych
Dodatki stopowe rozpuszczając się w żelazie w istotny sposób wpływają
na zmianę temperatur przemian alotropowych oraz położenie punktów
krytycznych układu Fe–C. Wszystkie dodatki stopowe przesuwają punkt
przemiany eutektoidalnej (na rysunku 6.2 punkt S) w lewo zmniejszając
tym samym stężenie węgla w perlicie. Wpływając z kolei na temperatury
przemian alotropowych rozszerzają lub zawężają obszar występowania
odmiany alotropowej γ. Część pierwiastków stopowych obniża
temperaturę przemiany alotropowej A3 i zwiększa A4 (jak na rysunku
7.3 a). Wraz ze wzrostem stężenia pierwiastka stopowego zakres
równowagowy fazy γ znacznie się zwiększa aż do stężania, przy którym
zanika przemiana alotropowa i austenit jest fazą stabilną od temperatury
otoczenia aż do temperatury topnienia. Tego rodzaju układ mają
pierwiastki, które z żelazem tworzą roztwory stałe ciągłe.
Rysunek 7.3. Fragment układu równowagi fazowej Fe – M
a) z otwartym polem austenitu, b) z zamkniętym polem austenitu,
c) z rozszerzonym polem austenitu, wg [6]
Natomiast pierwiastki tworzące graniczne roztwory stałe jedynie rozszerzają zakres austenitu (rysunek 7.3.c). Pierwiastki, które podnoszą temperaturę A3 i obniżają temperaturę A4, mają układ równowagi przedstawiony na rysunku 7.3.b. Przy pewnym zakresie stężania pierwiastka
Strona 107
ROZDZIAŁ 7
stopowego linie przemian alotropowych łączą się tworząc zamknięte
pole austenitu.
Dlatego też pierwiastki stopowe dzieli się na dwie zasadnicze grupy:
•
austenitotwórcze: (Mn , Ni , Co), które rozszerzają zakres
występowania austenitu (rysunek 7.3 a ),
•
ferrytotwórcze: (Ti, W, V, Mo, Cr, Al, Si), które ograniczają zakres występowania austenitu (rysunek 7.3 b).
W wyniku oddziaływania pierwiastków stopowych na położenie punktów krytycznych oraz temperatury przemian alotropowych struktury stali
stopowych i niestopowych o tej samej zawartości węgla mogą się
w istotny sposób różnić.
Struktura stali stopowej jest zależna od rodzaju i stężenia pierwiastka
stopowego oraz zawartości węgla. Przy niewielkich zawartościach pierwiastków stopowych równowagowe struktury stopów nie różnią się
istotnie od struktur z układu Fe–Fe3C. Natomiast przy większych
zawartościach pierwiastków austenitotwórczych uzyskujemy odpowiednio ze wzrostem ich stężenia struktury półastenityczną będącą mieszaniną austenitu i ferrytu oraz strukturę austenityczną. W przypadku pierwiastków ferrytotwórczych przy większych stężeniach uzyskujemy stale
półferrytyczne i ferrytyczne. Natomiast przy wysokich stężeniach węgla
niezależnie od stężenia pierwiastków stopowych struktura stali jest
ledeburytyczna.
Wpływ pierwiastków stopowych na przemianę przechłodzonego
austenitu
Dodatki pierwiastków stopowych mogą obniżać lub podwyższać hartowność. Hartowność znacznie zwiększają: Mn, Mo i Cr, w niewielkim stopniu: Si i Ni natomiast zmniejsza Co oraz pierwiastki silnie węglikotwórcze.
Wszystkie pierwiastki stopowe rozpuszczone w austenicie (poza kobaltem) zwiększają jego trwałość, co powoduje przesunięcie krzywych C na
wykresie CTP w prawo, a tym samym zmniejszenie prędkości krytycznej chłodzenia, przy której uzyskuje się martenzyt.
Pierwiastki węglikotwórcze zwiększają trwałości przechłodzonego austenitu, a tym samy zwiększają hartowność, jeśli w trakcie procesu austenityzacji zostały w nim całkowicie rozpuszczone. Pierwiastki te
oprócz zwiększenia trwałości austenitu zmieniają charakter krzywych C
Strona 108
WPŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI
STOPÓW UKŁADU Fe-C
na wykresie CTP jak na rysunku 7.4.b. Zmiana ta polega na pojawieniu
się na wykresie dwóch maksimów szybkości przemiany perlitycznej
i bainitycznej, rozdzielonych obszarem zwiększonej trwałości austenitu.
Jeżeli węgliki pierwiastków stopowych nie zostały rozpuszczone w austenicie to może wystąpić zmniejszenie hartowności.
Rysunek 7.4. Schemat wpływu pierwiastków stopowych na kinetykę
izotermicznej przemiany austenitu: a) dla stali zawierającej dodatki
stopowe, które nie tworzą węglików, b) dla stali zawierającej
węglikotwórcze dodatki stopowe wg [1]
Zmniejszenie trwałości przechłodzonego austenitu jest skutkiem następujących czynników:
•
austenit jest uboższy w składniki stopowe i węgiel, które
występują w strukturze w postaci węglików,
•
węgliki spełniają rolę zarodków krystalizacji i tym samy
zwiększają szybkość rozkładu austenitu,
•
węgliki hamują rozrost ziarna austenitu, a rozdrobnienie
ziarna zmniejsza hartowność, ponieważ zarodki przemiany
dyfuzyjnej powstają na granicach ziaren.
Istotny jest również wpływ dodatków stopowych na temperaturę początku (Ms) oraz końca (Mf) przemiany martenzytycznej. Większość pierwiastków stopowych, z wyłączeniem aluminium i kobaltu obniża temperaturę początku przemiany martezytycznej i zwiększa ilość austenitu
szczątkowego. Obniżenie temperatury Ms do wartości mniejszych od
0°C może uniemożliwić otrzymanie struktury martenzytycznej. Taka stal
ochłodzona do temperatury otoczenia zachowa strukturę austenityczną.
Strona 109
ROZDZIAŁ 7
Wpływ pierwiastków stopowych na proces odpuszczania
Pierwiastki stopowe zmniejszają szybkość dyfuzji, co powoduje przesunięcie wydzielania węglików podczas odpuszczania stali stopowych do
wyższych temperatur. Opóźnienie procesów dyfuzyjnych jak i utwardzenie ferrytu przez dodatki stopowe powoduje zmniejszenie spadku twardości ze wzrostem temperatury odpuszczania w porównaniu do odpuszczanych stali niestopowych. Mechanizm odpuszczania stali stopowych,
do temperatury 450°C jest analogiczny jak stali niestopowych.
W temperaturze 450°C dyfuzja pierwiastków stopowych jest na tyle
duża, że mogą tworzyć się węgliki stopowe zgodnie z jednym z dwóch
mechanizmów: niestabilny w tych warunkach Fe3C ulega rozpuszczeniu
i powstają węgliki węglikotwórczych dodatków stopowych lub też pierwiastek stopowy koncentruję się w cementycie, który stopniowo zmienia
się w węglik innego typu np. M7C3.
Powstawanie wysoko dyspersyjnych węglików prowadzi do umocnienia
wydzieleniowego stali stopowych.
Zjawisko to określa się mianem twardości wtórnej. Twardość może
wówczas nawet przekroczyć wartość uzyskaną bezpośrednio po
zahartowaniu.
Wpływ węgla i dodatków stopowych
na strukturę i właściwości żeliw
Żeliwo jest stopem żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami
stopowymi takimi jak Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Cu, Mo, w którym zawartość
węgla wynosi, co najmniej 2÷4 % węgla.
Węgiel obniża temperaturę topnienia stopów żelaza, dlatego żeliwa mogą być łatwiej topione niż stal. Żeliwa stanowią podstawowe stopy żelaza szeroko stosowane w odlewnictwie i w zależności od składu chemicznego dzielmy je na niestopowe i stopowe.
Natomiast w zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia
się żeliwa:
Strona 110
•
białe – węgiel występuje w postaci związanej tj. węglików,
•
szare – węgiel występuje w postaci wolnej – grafitu,
•
połowiczne – węgiel występuje w postaci cementytu i grafit.
WPŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI
STOPÓW UKŁADU Fe-C
Nazwa żeliw jest odzwierciedleniem barwy przełomu, który jest jasny i
metaliczny w żeliwie białym oraz szary w żeliwie szarym. Kolor szary
wiąże się z obecnością grafitu na przełomie.
Żeliwa białe
Strukturę żeliwa białego stanowi ledeburyt (mieszanina eutektyczna
austenitu i Fe3C(I)). Udział węglików żelaza powoduje, że żeliwa białe są
materiałem twardym i kruchym oraz wykazują złą skrawalność. Z tego
powodu nie znalazły szerokiego zastosowania. Stanowią natomiast półprodukt do otrzymywania żeliwa ciągliwego (węgiel występuje w postaci węgla żarzenia), oraz dają możliwość wytwarzania żeliwa
zabielonego, w którym na powierzchni otrzymuje się żeliwo białe
natomiast w rdzeniu żeliwo szare. Strukturę taką można uzyskać przez
zwiększenie szybkości krystalizacji w miejscach, w których planowane
jest uzyskanie żeliwa białego. Otrzymujemy odlewy utwardzane na
powierzchni stosowane np. na wałki rozrządu.
Żeliwa z wydzieleniami grafitu
Grafit w żeliwach może się tworzyć bezpośrednio z cieczy w procesie
krystalizacji oraz podczas przemian fazowych zachodzących w stanie
stałym. Występowanie określonej postaci węgla zależne jest od szybkości chłodzenia. Wolniejsze chłodzenie sprzyja postawaniu fazy równowagowej, czyli grafitu. Istotny wpływ na proces grafityzacji wykazują również domieszki zawarte w żeliwach:
•
Si i P ułatwiają grafityzację
•
Mn i S przeciwdziałają grafityzacji.
Ponadto fosfor zwiększa rzadkopłynność poprawiając właściwości odlewnicze żeliw i tworzy odrębny składnik strukturalny, potrójną
eutektykę fosforową zwaną steadytem, która powiększa twardość i odporność żeliwa na ścieranie, przy większej zawartości wywołuje kruchość w niskiej temperaturze. Natomiast siarka zmniejsza rzadkopłynność, dlatego jej zawartość powinna być ograniczona do 0,12%.
Skłonność do grafityzacji zależna jest też od składników stopowych:
•
pierwiastki sprzyjające grafityzacji, to np. Al, C, Ti, Ni,
Cu,
•
pierwiastki (węglikotwórcze), przeciwdziałające grafityzacji to np: W, Mn, Mo, Cr, V, Mg, Ce, N i H.
Strona 111
ROZDZIAŁ 7
Powstający grafit może mieć różnorodną postać: płatków lub wydzieleń
sferycznych, co w zasadniczy sposób decyduje o właściwościach żeliwa.
Żeliwa, w których węgiel występuje w postaci grafitu dzielimy ze względu na ich kształt na żeliwa: szare, sferoidalne i ciągliwe.
Rysunek 7.5. Klasyfikacja i przykładowe schematy struktur żeliw
z wydzieleniami grafitu
Grafit posiada bardzo małą wytrzymałość oraz niski moduł sprężystości
(20 MPa), a jego wydzielenia można traktować jak nieciągłości w metalicznej osnowie, co wpływa niekorzystnie na właściwości mechaniczne
żeliwa.
Wpływ na właściwości żeliwa mają zarówno rodzaj metalicznej osnowy,
jaki i postać oraz stopień dyspersji grafitu. Im większy jest udział grafitu
Strona 112
WPŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI
STOPÓW UKŁADU Fe-C
i im grubsze są płatki, tym niższa jest wytrzymałość i ciągliwość żeliwa.
Z kolei zwiększenie w strukturze żeliwa udziału perlitu oraz zwiększenie
jego dyspersji poprawia właściwości wytrzymałościowe. Podstawowym
pierwiastkiem wpływającym na rodzaj osnowy jest węgiel, którego ilość
decyduje o tym czy będzie ona: ferrytyczna (faza miękka 115÷150 HB),
ferrytyczno – perlityczna, lub perlityczna (faz twarda 220÷240 HB).
Struktura żeliw zależy nie tylko od składu chemicznego, ale w dużej
mierze od procesu stygnięcia odlewu. Większa szybkość chłodzenia
(cieńsze ścianki odlewu) sprzyjają powstawaniu struktury żeliwa białego
natomiast mniejsza szybkość (grubsze ścianki odlewu) powstawaniu
struktury żeliwa szarego. Coraz większy wzrost grubości ścianek odlewu
sprzyja powstawaniu żeliwa szarego o osnowie ferrytycznej. Dlatego
przy większych przekrojach odlewów w celu zachowania struktury
perlitycznej należy, ograniczać sumaryczną zawartość węgla i krzemu
oraz zwiększyć szybkość chłodzenia studząc formę strumieniem
zimnego powietrza.
Żeliwa szare
Żeliwa szare mogą mieć strukturę ferrytyczną, ferrytyczno–perlityczną
lub perlityczną z wydzieleniami grafitu w postaci nieregularnych płatków różnej wielkości.
Żeliwa szare charakteryzują się:
•
niską wytrzymałością na rozciąganie (Rm = 150÷250 MPa)
i zginanie – wydzielania grafitu tworzą nieciągłości w strukturze żeliwa.
•
niska plastycznością (A = 0,5÷1%)
•
niską wytrzymałością zmęczeniową i małą wrażliwością na
działanie wad powierzchniowych – krawędzie płatkowych
wydzieleń grafitu tworzą w strukturze żeliwa karby strukturalne,
•
zdolnością do tłumienia drgań – niski moduł sprężystości
grafitu,
•
bardzo dobrymi właściwościami ślizgowymi – grafit na powierzchniach współpracujących działa jak „smar” zwiększając odporność na zużycie; jest to materiał, z którego wykonane elementy nie zacierają się, gdy współpracują ze sobą.
Strona 113
ROZDZIAŁ 7
•
dobrą obrabialnością ze względu na małe opory oraz łamliwy wiór,
•
dobrymi właściwościami odlewniczymi: wysoką rzadkopłynnością, dobrą lejnością małym skurczem odlewniczym
(0,6÷1,25%), oraz dobrym wypełnianiem form,
•
niską ceną.
Żeliwa szare są powszechnie stosowanymi materiałami konstrukcyjnymi
w przemyśle maszynowym, budowlanym, kolejowym, samochodowym
(np. korpusy maszyn, płyty fundamentowe, włazy kanałowe, wpusty
ściekowe, osprzęt do armatury wodociągowej oraz gazowej, pierścienie
tłokowe, bębny hamulcowe, itd.)
Wzrost właściwości wytrzymałości żeliwa szarego można uzyskać przez
zwiększenie udziału perlitu w osnowie oraz rozdrobnienie wydzieleń
grafitu. Rozdrobnienie grafitu uzyskuje się przez dodanie do żeliwa
przed odlaniem tzw. modyfikatora, najczęściej w postaci
sproszkowanego
żelazokrzemu.
Najkorzystniejsze
właściwości
wytrzymałościowe ma żeliwo szare modyfikowane o osnowie perlitycznej (Rm = 350 ÷ 450 MPa)
Żeliwa sferoidalne
Żeliwami sferoidalnymi nazywa się żeliwa, w których grafit powstaje
podczas krzepnięcia w postaci kulkowej. Uzyskuje się je w wyniku
procesu modyfikowania żeliwa szarego o niskiej zawartości siarki i fosforu. Proces modyfikacji polega na wprowadzeniu do metalu, bezpośrednio przed odlaniem dodatku sferoidyzującego: magnezu lub ceru. Kulista
postać wydzieleń grafitu powoduje zwiększenie:
•
właściwości wytrzymałościowych żeliwa,
•
wytrzymałości na obciążenia dynamiczne,
•
ciągliwości.
Obniża natomiast zdolności żeliwa do tłumienia drgań. Aby zachować
dobre właściwości wytrzymałościowe i jednocześnie nie stracić
zdolności do tłumienia drgań opracowano żeliwa wermikularne,
w których morfologia grafitu ma postać pośrednią między grafitem
płatkowym a grafitem sferoidalnym.
Strona 114
WPŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI
STOPÓW UKŁADU Fe-C
Struktura osnowy żeliw sferoidalnych, podobnie jak żeliw szarych zwykłych może być ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna. Poprzez zastosowanie obróbki cieplnej można uzyskać też strukturę bainitu
górnego lub martenzytu, co w znaczący sposób poprawia właściwości
wytrzymałościowe. Żeliwa sferoidalne uzyskują wysokie właściwości
wytrzymałościowe i plastyczne. Żeliwa z osnową ferrytyczną uzyskują
Rm = 350÷450 MPa i A = 10÷20%, a z osnową perlityczną lub
bainityczną Rm = 600÷900 MPa i A = 3%. Po zastosowaniu hartowania
z przemianą izotermiczną wytrzymałość żeliwa sferoidalnego osiąga
wartość nawet 1600 MPa. Wytwarza się z nich wały korbowe, cylindry,
pierścienie tłokowe, koła zębate, wrzeciona, pierścienie tłokowe,
armatury i rury.
Żeliwa sferoidalne charakteryzują się:
•
bardzo dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi oraz
plastycznymi,
•
mniejszą (niż żeliwa szare) skłonnością do koncentracji naprężeń oraz wysoką udarnością,
•
dobrą szczelnością,
•
dobrą lejnością,
•
dużą skłonnością do powstawania naprężeń własnych i jam
skurczowych w odlewach.
Żeliwo ciągliwe jest żeliwem otrzymywanym w wyniku długotrwałego
wyżarzania grafityzującego żeliwa białego. W czasie tego procesu cementyt ulega rozkładowi na grafit i ferryt. Węgiel żarzenia wydziela się
w osnowie w postaci zwartych kłaczkowatych skupień.
Stosowane są dwie metody wytwarzania:
•
wyżarzanie odlewów w atmosferze obojętnej – prowadzi do
rozkładu cementytu, a tym samym do zmiany postaci występowania węgla,
•
wyżarzanie w atmosferze utleniającej – prowadzi do rozkładu cementytu oraz do odwęglenia żeliwa.
W zależności od sposobu wyżarzania oraz parametrów procesu można
uzyskać:
Strona 115
ROZDZIAŁ 7
Żeliwo ciągliwe czarne o strukturze osnowy perlitycznej lub ferrytycznej z wydzieleniami węgla żarzenia. Grafityzowanie umożliwia
uzyskanie jednakowej struktury na przekroju odlewu o znacznej
grubości. Żeliwo ciągliwe czarne stosowane jest na odlewy niewymagające większej wytrzymałości, takie jak: części maszyn rolniczych, maszyn do szycia, artykułów gospodarstwa domowego itp. Żeliwo ciągliwe
perlityczne ma zastosowanie na części maszyn silniej obciążone.
Właściwości żeliwa ciągliwego czarnego:
•
dobre właściwości wytrzymałościowe Rm = 300÷800 MPa
i dobre właściwości plastyczne A = 1÷10%,
•
odporność na obciążenia dynamiczne,
•
dobra skrawalność,
•
jednorodna struktura i twardość w całym przekroju odlewu,
•
dobra szczelność.
Żeliwo ciągliwe białe (odwęglone). Struktura żeliwa odwęglonego
zmienia się na przekroju odlewu. Całkowite odwęglenie zachodzi na głębokość mniejszą od 4 ÷ 5 mm od powierzchni odlewu i w warstwie tej
uzyskuje się strukturę ferrytyczną, przechodząc głębiej w kierunku
rdzenia odlewu uzyskujemy odpowiednio strukturę ferrytyczno – perlityczną i perlityczną z wydzieleniami węgla żarzenia. Dlatego odwęglaniu nie poddaje się odlewów o grubości powyżej 12 mm. Z powodu jasnej barwy przełomu całkowicie odwęglonego, żeliwo nazywane jest żeliwem ciągliwym białym. Charakteryzuje się dobrą spawalnością, oraz
gorszą obrabialnością niż żeliwa ciągliwe czarne, dlatego stosuje się je
na cienkościenne odlewy niezbyt mocno obciążone i niewymagające
większej obróbki skrawaniem części maszyn, pojazdów mechanicznych,
artykułów gospodarstwa domowego.
Właściwości żeliwa ciągliwego białego:
Strona 116
•
dobre właściwości wytrzymałościowe Rm = 350÷550 MPa
i dobre właściwości plastyczne A = 5÷10%,
•
odporność na obciążenia dynamiczne,
WPŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI
STOPÓW UKŁADU Fe-C
•
dobra szczelność,
•
odporność na działanie czynników korozyjnych,
•
dobra spawalność,
•
mała odporność na ścieranie.
Żeliwa stopowe
Żeliwami stopowymi nazywa się żeliwa zawierające dodatkowo pierwiastki takie jak chrom, nikiel, molibden, aluminium, tytan, wanad,
miedź, wolfram, bor lub zwiększone ilości krzemu i manganu. Dodatki
stopowe wprowadzane są w celu poprawy właściwości użytkowych żeliw, a w szczególności polepszeniu: właściwości mechanicznych, odporności na ścieranie, odporności korozyjnej oraz odporności na działanie
wysokich temperatur. Żeliwa stopowe występują w trzech grupach:
żaroodporne i żarowytrzymałe, odporne na korozję oraz odporne na
ścieranie.
Strona 117
ROZDZIAŁ 7
Strona 118
`
8
Obróbka cieplna
stopów układu Fe-C
W tym rozdziale:
o
o
o
o
Obróbka cieplna
Wyżarzanie
Ulepszanie i utwardzanie cieplne
Umacnianie wydzieleniowe
ROZDZIAŁ 8
Obróbka cieplna
Obróbką cieplną nazywamy zespół zabiegów cieplnych prowadzonych
w celu wywołania w stanie stałym zmian struktury stali lub innych stopów, zapewniających uzyskanie odpowiednich właściwości mechanicznych.
Ze względu na czynniki kształtujące strukturę wyróżniamy obróbkę
cieplną zwykłą, cieplno – plastyczną oraz cieplno – chemiczną.
Parametrami obróbki cieplnej wpływającymi na przebieg przemian fazowych są:
•
temperatura wygrzewania,
•
czas wygrzewania,
•
szybkość nagrzewania i chłodzenia.
W zależności od celu obróbki cieplnej zwykłej dzieli się ją na różne
rodzaje uwarunkowane szybkością nagrzewania, temperaturą i czasem
wygrzewania oraz szybkością chłodzenia.
Rysunek 8.1. Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej
Strona 120
OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU Fe-C
Wyżarzanie
Wyżarzanie polega na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie studzeniu. Celem obróbki jest
uzyskanie struktur zbliżonych do stanu równowagi. Temperatura wygrzewania w tej obróbce może leżeć powyżej lub poniżej temperatury
przemiany eutektoidalnej (A1 na rysunku 8.2 ).
Szybkość chłodzenia materiału po wygrzewaniu w temperaturze powyżej A1 musi być stosunkowo nieznaczna, aby podczas chłodzenia, przy
przejściu przez temperatury przemian, miały czas zajść zgodne z równowagą zmiany fazowe.
Rysunek 8.2. Fragment układu równowagi Fe – Fe3C z zaznaczonymi
temperaturami wyżarzania stali
Wygrzewanie stali w temperaturach wyższych od A1 prowadzi do przemiany perlitu w austenit:
Strona 121
ROZDZIAŁ 8
(α
α + Fe3C)
γ
α (roztwór węgla w żelazie RPC zawierający 0.02% wag. C) +
Fe3C (zawierający 6,67 % wag. C) γ (roztwór węgla w żelazie
RSC zawierający 0,8% wag. C).
Celem austenityzowania jest zwykle otrzymanie możliwie jednorodnego
oraz drobnoziarnistego austenitu, co ma wpływ na przebieg przemian
podczas chłodzenia. Dlatego przy wygrzewaniu stali do temperatury
austenityzacji należy ściśle przestrzegać określonych temperatur i czasów wygrzewania. Wygrzewanie w wyższych temperaturach jest niekorzystne ze względu na rozrost ziaren austenitu, których wielkość jest tym
większa im wyższa jest temperatura austenityzacji i dłuższy czas wygrzewania. Z kolei wielkość ziaren austenitu decyduje o wielkości ziaren
stali po ochłodzeniu. Powstanie struktury gruboziarnistej prowadzi do
zmniejszenia twardości i właściwości wytrzymałościowych stali, dlatego
dąży się do zachowania drobnego ziarna austenitu, aby zapewnić drobnoziarnistą strukturę stali po ochłodzeniu. Struktura drobnoziarnista
w porównaniu do struktury gruboziarnistej zapewnia wyższe właściwości mechaniczne, szczególnie udarność i granicę plastyczności. Grube
ziarno poprawia natomiast skrawalność i zwiększa hartowność.
Wyżarzanie z przemianą fazowej
Wyżarzanie ujednorodniające. Celem obróbki jest wyrównanie, powstałych w wyniku krzepnięcia, niejednorodności składu chemicznego.
Polega na nagrzaniu materiału do temperatury 1000÷1200 °C
(o ok.100÷200 °C niższej od temperatury solidusu), długotrwałym
(ok.15÷20 h) wygrzaniu w tej temperaturze i następnie powolnym
chłodzeniu. Prowadzi to do rozrostu ziarna, dlatego konieczna jest
kolejna obróbka umożliwiająca rozdrobnienie ziarna. Efektem ujednorodnienia jest niewielkie obniżenie właściwości wytrzymałościowych i
polepszenie właściwości plastycznych.
Wyżarzania normalizujące. Celem obróbki jest rozdrobnienie ziarna
i ujednorodnienie struktury perlityczno – ferrytycznej, a tym samym
poprawa właściwości wytrzymałościowych (Re i Rm) Polega na nagrzaniu stali do temperatury umożliwiającej powstanie struktury austenitycznej (30÷50 °C powyżej linii GSE), a następnie na powolnym studzeniu
na powietrzu. Stosowane najczęściej do niestopowych stali konstrukcyjnych.
Wyżarzanie zupełne różni się od normalizowania tylko sposobem studzenia stali polegającym na powolnym studzeniu (zwykle z piecem)
Celem obróbki jest uzyskanie jednorodnej struktury zgodnej z układem
Strona 122
OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU Fe-C
równowagi Fe–Fe3C, a tym samym zmniejszenie twardości, usunięcie
naprężeń własnych oraz, poprawa ciągliwości i obrabialności stali.
Stosowana zwykle do stali stopowych.
Wyżarzanie zmiękczające – sferoidyzacja. Celem obróbki jest sferoidyzacja cementytu w perlicie. Stal o takiej strukturze ma minimalną
twardość, dobrą skrawalność oraz podatność na odkształcenia plastyczne
w czasie obróbki plastycznej na zimno. Polega na nagrzaniu stali do
temperatury zbliżonej do temperatury przemiany eutektoidalnej (A1)
wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Wyżarzanie
zmiękczające prowadzone jest dla stali nadeutektoidalnych (już w hutach), polepsza skrawalność i pozwala na uzyskanie w stalach narzędziowych najkorzystniejszej struktury przed hartowaniem.
Wyżarzanie bez przemiany fazowej
Wyżarzanie rekrystalizujące. Celem obróbki jest usunięcie skutków
odkształcenia plastycznego na zimno – uzyskanie drobnego ziarna
i przywrócenie pierwotnych właściwości stopu.
Zabieg przeprowadza się po obróbce plastycznej na zimno i polega on na
nagrzaniu stopu do temperatury wyższej od temperatury początku
rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu.
Wyżarzanie odprężające. Celem tego wyżarzania jest usunięcie naprężeń własnych bez wywołania zmian struktury i właściwości. Wyżarzanie
odprężające polega na nagrzaniu wyrobu do odpowiedniej temperatury,
a następnie wytrzymaniu w niej przez czas od 0,5÷2 h i powolnym studzeniu. Stosowane jest do odlewów staliwnych, elementów spawanych
oraz utwardzonych przez odkształcenia plastyczne.
Wyżarzanie stabilizujące ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Przeprowadza się
w temperaturze do 150°C Najczęściej jest stosowane do narzędzi, sprawdzianów, odlewów żeliwnych, itp. Jeżeli wyżarzanie przebiega w temperaturze otoczenia w czasie od kilku miesięcy do kilku lat, to nosi
nazwę sezonowania.
Ulepszanie cieplne
Hartowanie polega na nagrzewaniu stali do temperatury, w której następuje wytworzenie struktury austenitu i następnie szybkim chłodzeniu
umożliwiającym otrzymanie metastabilnej struktury martenzytycznej.
Strona 123
ROZDZIAŁ 8
Podczas hartowania stali niestopowych oraz stali niskostopowych materiał nagrzewamy do temperatury 30÷
÷50 °C powyżej linii GSK (rysunek 8.3.).
Rysunek 8.3. Fragment układu równowagi Fe – Fe3C z zaznaczonymi
temperaturami hartowania stali
Stale nadeutektoidalne hartuje się od temperatury przekraczającej
o 30÷50°C temperaturę przemiany eutektoidalnej (SK), a nie powyżej
temperatury wyznaczonej przez linię (SE), ponieważ rozpuszczenie cementytu w stalach stopowych prowadziłoby do obniżenia temperatury
hartowania, a tym samym zwiększenia ilości austenitu szczątkowego.
Dodatkowo hartowanie od niższych temperatur zmniejsza naprężania
własne i skłonność do pękania hartowanych elementów oraz wymaga
mniejszego zużycia energii i skraca czas obróbki. Stale niestopowe chłodzi się głównie w wodzie, natomiast stale stopowe mogą być chłodzone
wolniej, np. w oleju, a niekiedy i w powietrzu. Stale po hartowaniu
charakteryzują się wysoką twardością rzędu 60÷65 HRC, wysokimi
właściwościami wytrzymałościowymi (Re i Rm) oraz niskimi właściwościami plastycznymi oraz dużą kruchością.
Hartowność jest zdolnością stali do tworzenia struktury martenzytycznej podczas chłodzenia z temperatury austenityzacji. Cechami hartowności są:
•
Strona 124
utwardzalność – podatność stali do hartowania, wyrażona
najwyższą twardością (na powierzchni hartowanego wyroby), jaką można osiągnąć w wyniku hartowania,
OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU Fe-C
•
przehartowalność – podatność stali do utwardzania się,
w głąb przekroju pod wpływem hartowania.
Za strefę zahartowaną przyjmuje się objętość zawierającą, co najmniej
50% martenzytu. Twardość strefy półmartenzytycznej (zawierającej 50%
martenzytu), określa się mianem twardości krytycznej. Natomiast średnica krytyczna jest średnicą pręta, przy której po zahartowaniu w ośrodku
o określonej zdolności chłodzącej uzyskuje się w osiowej części przekroju strukturę o zawartości martenzytu, nie mniejszej niż 50%.
Hartowność stali określa się za pomocą średnic krytycznych, które wyznacza się metodami doświadczalnymi, doświadczalno – wykreślnymi
lub obliczeniowymi.
Na hartowność stali wpływają:
•
skład chemiczny stali – dodatki stopowe (szczególnie Mn i
Cr) z wyjątkiem kobaltu, jeżeli są rozpuszczone w austenicie, zwiększają hartowność poprzez zmniejszenie krytycznej
szybkość chłodzenia,
•
jednorodności austenitu – im większa jednorodność austenitu tym hartowność stali jest większa, ponieważ brak jest
dodatkowych zarodków przyśpieszających rozkład austenitu
w zakresie przemiany perlitycznej,
•
wielkości ziarna austenitu – im większe ziarno tym większa hartowność. Wynika to z faktu zmniejszania powierzchni granic ziaren, które są uprzywilejowanymi miejscami
zarodkowania cementytu.
Proces hartowania można podzielić na:
•
zwykłe – polegające na nagrzaniu przedmiotu hartowanego
do temperatury austenityzacji, a następnie szybkiemu studzeniu, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Uzyskujemy strukturę
martenzytyczną,
•
stopniowe – polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego
do temperatury astenityzacji, a następnie chłodzeniu w kąpieli, o temperaturze nieco wyższej od temperatury początku
przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, w celu wyrównania temperatury w całym przekroju
przedmiotu. W drugim etapie, następuje szybkie studzenie
Strona 125
ROZDZIAŁ 8
do temperatury otoczenia. Uzyskujemy strukturę martenzytyczną. Obróbka zmniejsza naprężenia własne po hartowaniu,
•
izotermiczne – przeprowadza się tak samo jak hartowanie
stopniowe zwiększając jedynie czas wytrzymania w kąpieli
aż do zajścia przemiany bainitycznej. Następnie chłodzimy
na powietrzu do temperatury otoczenia. W hartowaniu
izotermicznym nie powstaje martenzyt, lecz uzyskujemy
strukturę bainitu dolnego. Stal uzyskuje właściwości
podobne do stali hartowanej i odpuszczanej. Uzyskujemy
znaczące zmniejszenie naprężeń hartowniczych,
•
powierzchniowe – przeprowadza się nagrzewając jedynie
powierzchnię przedmiotu. Jest rodzajem obróbki powierzchniowej, w której uzyskujemy twardą odporną na ścieranie
warstwę powierzchniową i ciągliwy rdzeń.
Odpuszczanie jest drugim etapem ulepszania cieplnego. Zabieg ten polega na nagrzaniu zahartowanego przedmiotu do temperatury niższej od
temperatury przemiany eutektoidalnej i wytrzymaniu w tej temperaturze
przez czas konieczny do zajścia przemiany. Prowadzi to do zmniejszenia
lub usunięcia naprężeń własnych oraz przemian wywołujących zmniejszenie twardości i właściwości wytrzymałościowych (Re, Rm) oraz
wzrostu plastyczności (A, Z, KC) stali.
Odpuszczanie przeprowadza się w trzech zakresach
temperaturowych
Odpuszczanie niskie przeprowadza się w zakresie temperatur
150÷250°C. Celem zabiegu jest usuniecie naprężeń hartowniczych
obrabianych elemetów, przy zachowaniu wysokiej twardości i odporności na ścieranie. Struktura stali po niskim odpuszczaniu jest mieszaniną
martenzytu tetragonalnego, wydzielonego węglika i austenitu szczątkowego. Stosowane jest do stali narzędziowych i łożyskowych.
Odpuszczanie średnie przeprowadza się w zakresie temperatur od
250÷500°C. Stosowane jest w celu nadania obrabianym elementom
wysokiej granicy sprężystości oraz dużej wytrzymałości z jednoczesnym
polepszeniem ich właściwości plastycznych. Struktura stali po odpuszczaniu średnim składa się z martenzytu regularnego i wydzielonego
cementytu.
Stosowane jest do stali sprężynowych oraz konstrukcyjnych.
Strona 126
OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU Fe-C
Odpuszczanie wysokie przeprowadza się w temperaturach wyższych od
500°C lecz niższych od A1. Celem zabiegu jest otrzymania najbardziej
korzystnych właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, tj. dużej
udarności i wydłużenia przy maksymalnym stosunku Re/Rm. Struktura
stali po odpuszczaniu wysokim składa się ze sferoidalnych drobnych
wydzieleń cementytu w osnowie ferrytu. Stosowane jest głównie do stali
konstrukcyjnych. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki
skrawaniem.
Z odpuszczaniem wiąże się zjawisko spadku odporności na pękanie
nazywane kruchością odpuszczania. Udarność stali po odpuszczaniu
zależna jest od temperatury odpuszczania oraz szybkości chłodzenia. Na
krzywej udarności w funkcji temperatury odpuszczania przedstawionej
na rysunku 8.4 widoczne są dwa minima: w temperaturze ok. 300 °C
i zakresie temperatur ok. 400÷600 °C Zjawisko to nosi odpowiednio
nazwę:
•
kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju,
•
kruchości odpuszczania drugiego rodzaju.
Kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju powstaje podczas odpuszczania stali niestopowych i stopowych, niezależnie od ich składu chemicznego i szybkości chłodzenia po odpuszczaniu. Jest kruchością nieodwracalną, dlatego należy unikać odpuszczania w tej temperaturze.
Kruchość odpuszczania drugiego rodzaju jest kruchością odwracalną, zachodzi powyżej 500 °C i powolnym chłodzeniu stali stopowych zawierających nikiel, chrom i mangan.
Rysunek 8.4. Wpływ temperatury odpuszczania i prędkości chłodzenia
po odpuszczaniu na udarność stali wg [1]
Strona 127
ROZDZIAŁ 8
Umocnienie wydzieleniowe
Umocnienie wydzieleniowe, jak już omówiono w rozdziale czwartym,
polega na wytworzeniu w ziarnach drobnych wydzieleń o odmiennej
strukturze krystalograficznej niż osnowa, które blokują ruch dyslokacji
i tym samym zwiększają właściwości wytrzymałościowe stopu. Umocnienie wydzieleniowe składa się z dwóch etapów: przesycania i starzenia. Można go stosować do stali austenitycznych oraz stopów metali nieżelaznych, które w stanie stałym wykazują wraz z obniżeniem temperatury malejącą rozpuszczalność składnika stopowego.
Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury o 30÷50°C powyżej granicznej rozpuszczalności i wygrzaniu w tej temperaturze w celu
rozpuszczenia wydzielonego składnika (w stalach najczęściej jest to
cementyt), a następnie szybkim chłodzeniu (rysunek 8.5).
Rysunek 8.5. Fragment układu równowagi Fe – Fe3C z zaznaczonymi
temperaturami przesycania
W wyniku szybkiego studzenia rozpuszczony składnik zostaje zatrzymany w roztworze i uzyskujemy metastabilny przesycony roztwór stały.
Stop ma strukturę jednofazową (rysunek 8.6 b). W wyniku przesycania
poprawiają się właściwości plastyczne natomiast nieznacznie zmniejsza
się wytrzymałość i twardość. Przesycanie jest szeroko stosowane do stali
austenitycznych oraz stopów aluminium.
Strona 128
OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU Fe-C
Rysunek 8.6. Schemat struktury z wielkością i rozmieszczeniem
wydzieleń drugiej fazy a) po wolnym chłodzeniu, b) po szybkim
chłodzeniu – przesycanie, c) po przesycaniu i starzeniu
Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury poniżej granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Podczas procesu z roztworu przesyconego wydziela się składnik znajdujący się w nadmiarze
w postaci dyspersyjnych faz rozmieszczonych w ziarnie (jak na rysunku 8.6 c). Jeżeli proces starzenia zachodzi w temperaturze pokojowej to
nosi nazwę starzenia samorzutnego lub naturalnego. Starzenie powoduje
umocnienie stopu, czyli poprawę właściwości wytrzymałościowych
i wzrost twardości oraz pogorszenie właściwości plastycznych. Zbyt
długie starzenie powoduje tzw. przestrzenie, następuje koagulacja
wydzielonych
cząstek
powodująca
zmniejszenie
twardości
i wytrzymałości.
Obróbka cieplno – mechaniczna jest połączeniem odkształcenia plastycznego z obróbką cieplną w taki sposób, aby przemiana fazowa zachodziła w warunkach wzrostu gęstości defektów sieci wywołanych odkształceniem. Przez taki zabieg można uzyskać wzrost wytrzymałości
bez jednoczesnego spadku plastyczności.
W zależności od temperatury, w jakiej odkształcamy plastycznie stop
obróbkę cieplno – plastyczną można podzielić na: wysokotemperaturową
i niskotemperaturową.
Najprostszymi rodzajami wysokotemperaturowej obróbki cieplno – plastycznej w stalach są: hartowanie elementów bezpośrednio po kuciu lub
walcowaniu. Obróbka cieplna w tym przypadku polega na nagrzaniu
stali do temperatury austenityzacji i następnie odkształceniu plastycznemu na gorąco (w temperaturze wyższej od temperatury rekrystalizacji)
i oziębieniu w celu zahartowania stali. Mechanizm obróbki niskotemperaturowej jest taki sam jak wysokotemperaturowej z ta różnicą, że obróbka plastyczna odbywa się w temperaturze niższej od temperatury
rekrystalizacji.
Strona 129
ROZDZIAŁ 8
Technologie obróbki cieplno – plastycznej umożliwiają zwiększenie
o 30% wytrzymałości wyrobów w stosunku do konwencjonalnej obróbki
cieplnej.
Obróbka cieplno – chemiczna jest zabiegiem umożliwiającym w czasie
wygrzewania, połączonego z chemicznym oddziaływaniem środowiska,
zmianę składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej stopu,
a dzięki temu zmianę jej właściwości. W praktyce polega ona na dyfuzyjnym wzbogaceniu powierzchniowej warstwy stopu w określony pierwiastek, np. C, N, Al, Cr, Si lub grupę pierwiastków, np. C i N, N i S,
N i O. Celem obróbki jest wytworzenie warstwy powierzchniowej
o zwiększonej odporności na ścieranie oraz o zwiększonej odporności
korozyjnej i erozyjnej.
Strona 130
`
9
Kształtowanie
właściwości warstw
powierzchniowych
tworzyw metalowych
W tym rozdziale:
o
o
o
o
o
Obróbki mechaniczne warstw powierzchniowych
Obróbki cieplne warstw powierzchniowych
Obróbki chemiczne i elektrochemiczne warstw
powierzchniowych
Metody fizyczne obróbki warstw powierzchniowych
Obróbki cieplno – chemiczne
warstw powierzchniowych
ROZDZIAŁ 9
Inżynieria powierzchni jest dyscypliną naukową obejmującą następujące
zagadnienia:
•
opracowywanie technologii wytwarzania warstw powierzchniowych,
•
opracowywanie konstrukcji urządzeń do poszczególnych
technologii,
•
kształtowanie właściwości przez projektowanie mikrostruktury, składu chemicznego, fazowego, topografii powierzchni
oraz stanu naprężeń własnych warstw powierzchniowych,
•
badanie zjawisk fizykochemicznych biorących udział w tworzeniu warstw powierzchniowych,
•
badania eksploatacyjne wytworzonych warstw powierzchniowych.
Zagadnienia związane z powierzchnią są bardzo istotne z punktu widzenia wytrzymałości materiałów. Należy podkreślić, że ponad 80% uszkodzeń materiałów konstrukcyjnych rozpoczyna się na powierzchni produkowanych wyrobów, dlatego bardzo istotne jest doskonalenie ich jakości. Jest to bezpośredni powód tworzenia warstw wierzchnich, które podwyższają odporność materiału na zewnętrzne obciążenia.
Warstwa powierzchniowa określana jest jako część materiału pomiędzy
fizyczną powierzchnią przedmiotu, a rdzeniem materiału. Do warstw powierzchniowych zalicza się zarówno warstwy wierzchnie jak i powłoki.
Warstwa wierzchnia utworzona w wyniku fizykomechanicznych lub fizykochemicznych procesów to część materiału przylegająca do powierzchni wraz z powierzchnią, której właściwości fizyczne i budowa różnią
się od reszty materiału, czyli rdzenia.
Natomiast powłoka jest warstwą materiału wytworzoną w sposób naturalny lub sztuczny, bądź też nałożoną sztucznie na powierzchnię przedmiotu wykonanego z innego materiału, w celu uzyskania określonych
właściwości technicznych lub dekoracyjnych.
Wartwy powierzchniowe przedstawiono schematycznie na rysunku 9.1
Strona 132
KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH
Rysunke 9.1. Schemtayczne przedtsawienie warstw powierzchniowych
wg [14].
Warstwę wierzchnią charakteryzuje szereg czynników.
Struktura geometryczna powierzchni określana przez:
•
falistość powierzchni – systematycznie powtarzające się
nierówności, określone małym stosunkiem wysokości fali do
średniego odstępu pomiędzy jej wierzchołkami.
•
chropowatość – nierówności powierzchni rzeczywistej o stosunkowo małych odstępach pomiędzy wierzchołkami, których wysokość nie przekracza kilku mikrometrów.
•
kierunkowość nierówności – przeważający kierunek nierówności, zależny od sposobów obróbki,
•
wady struktury geometrycznej – odstępstwa w rozmiarach
i kształcie od nierówności typowych dla danej struktury
(rysy, pękniecie, wżery).
Strona 133
ROZDZIAŁ 9
Rysunek 9.2. Struktura warstwy wierzchniej po azotowaniu jarzeniowym
stopu tytanu.
Stan warstwy wierzchniej określany przez:
Strona 134
•
strukturę warstwy – o budowie strefowej (objętość
o określonej cesze) zależnej od stosowanej metody kształtowania warstw powierzchniowych. Poszczególne strefy mogą
się wzajemnie przenikać przechodząc jedna w drugą lub też
zajmować wspólnie określoną przestrzeń (rysunek 9.2).
•
grubość warstwy wierzchniej – umowna głębokość zalegania zmian (np: mikrotwardości, naprężeń własnych) jednej
lub też kilku cech warstwy wierzchniej. Zmiana cechy odnoszona jest do wartości tej cechy w rdzeniu, nazywanej wartością graniczną (rysunek 9.3).
•
umocnienie warstwy – zwiększenie wytrzymałości powierzchniowej wskutek przemian cieplnych, chemicznych,
lub mechanicznych, które powodują zmiany struktury, składu chemicznego, odkształcenia plastycznego lub zgniotu
krystalitów w materiale warstwy.
•
naprężenia własne warstwy wierzchniej – naprężenia, zalegające w warstwie wierzchniej, które pozostają w niej po
zaprzestaniu działania obciążeń zewnętrznych,
KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH
•
oraz przez szereg właściwości:
•
fizykochemicznych, do których możemy zaliczyć między
innymi: twardość, kruchość, absorpcję, adsorpcję, rozkład
składu chemicznego, itp.
•
eksploatacyjnych takich jak: właściwości wytrzymałościowe, trybologiczne oraz antykorozyjne.
Rysunek 9.3. Metoda wyznaczania granicy wewnętrznej warstwy
wierzchniej wg [14]
W wyniku stosowania odpowiednich technologii możliwe jest kształtowanie następujących właściwości użytkowych warstw powierzchniowych:
•
wytrzymałości,
•
właściwości trybologicznych,
•
odporności na korozję,
•
cech ozdobnych.
Strona 135
ROZDZIAŁ 9
Technologie wytwarzania
Istnieje bardzo wiele metod kształtowania warstw wierzchnich. W zależności od rodzaju zjawiska zachodzącego w trakcie ich kształtowania
metody te można sklasyfikować w następujących grupach:
•
obróbki mechaniczne (nagniatanie, kulkowanie, młotkowanie),
•
obróbki cieplno – mechaniczne (natryskiwanie: gazowe, łukowe, plazmowe oraz platerowanie),
•
obróbki cieplne (hartowanie powierzchniowe, nadtapianie,
napawanie, natapianie),
•
obróbki chemiczne i elektrochemiczne (powłoki z tworzyw
sztucznych i malarskie oraz warstwy galwaniczne i konwersyjne),
•
metody fizyczne (implantowanie jonów, PVD),
•
obróbki cieplno – chemiczne (nasycanie dyfuzyjne niewspomagane i wspomagane; CVD).
Warstwy, jakie zostają wytworzone w ramach wymienionych grup, charakteryzują się pewnymi wspólnymi cechami strukturalnymi, chemicznymi i mechanicznymi. Grubości warstw wierzchnich są różne i zależą
od techniki wytwarzania. Mogą osiągać wartości od dziesiątych części
mikrometra dla warstw implantowanych do kilku milimetrów dla hartowanych, czy nagniatanych.
Obróbka mechaniczna
Zaliczamy do niej wszystkie technologie, które zmieniają stan warstwy
metodami mechanicznymi. Są to różnego rodzaju nagniatania (naporowe, udarowe, detonacyjne), w których nacisk narzędzia lub jego energia
kinetyczna wykorzystywana jest do odkształcania warstwy wierzchniej
na zimno, a tym samym do jej umocnienia. Warstwy te charakteryzują
się dużymi wartościami naprężeń własnych oraz granicy plastyczności,
a grubość ich może dochodzić do kilku milimetrów. Nagniatanie stosowane jest najczęściej do stopów żelaza i innych metali głównie w celu
poprawy wytrzymałości zmęczeniowej oraz do obniżenia chropowatości
powierzchni (bez usuwania materiału) przez plastyczne odkształcenie
Strona 136
KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH
wywołane naciskiem rolek. Głównym ograniczeniem nagniatania jest
tzw. warunek materiałowy. Nagniatane przedmioty muszą być wykonane
z materiałów umożliwiających ich umocnienie przez zgniot w temperaturze otoczenia.
Obróbka cieplno – mechaniczna
Metoda natryskiwania cieplnego polega na stopieniu i rozpyleniu metalu powłokowego na drobne cząstki w specjalnym urządzeniu – palniku
(gazowym, łukowym lub plazmowym) do natryskiwania, a następnie nadaniu im takiej prędkości przy wylocie z palnika, aby uderzając w pokrywaną powierzchnię uzyskiwały dobrą przyczepność. Przed metalizowaniem prowadzi się wstępne czynności (wypalanie, mycie, piaskowanie, śrutowanie) związane z uzyskaniem czystej powierzchni o jak największym stopniu rozwinięcia. Powstała powłoka połączona jest z podłożem mechanicznie siłami adhezji, kohezji (w pewnych przypadkach
wiązaniami metalicznymi), bez nadtopienia metalu podłoża. Aby poprawić wytrzymałość połączenia stosowane jest nakładanie warstw spajających, dzięki którym między podłożem i powłoka tworzą się wiązania
międzyatomowe.
W zależności od użytej technologii natryskiwania i urządzenia, nałożone
powłoki mogą mieć grubość od 0,01 do 0,5 mm.
Metodą natryskiwania można nakładać różne metale i stopy, które spełniają rolę powłok ochronnych, technicznych lub dekoracyjnych. Najczęściej stosowanymi materiałami natryskowymi są stale stopowe, aluminium i jego stopy, cynk, cyna, miedź, kobalt chrom, wolfram, tytan,
tlenki i węgliki oraz kompozycje różnych metali.
Platerowanie – nakładanie na wyroby metalowe cienkich powłok z innych metali przez wytworzenie nacisku na materiał pokrywający w odpowiednio dobranej temperaturze.
Metal lub stop nakładany na podłoże może być w stanie roztopionym
albo w stanie stałym.
Powłoki są nakładane najczęściej metodą:
•
walcowania na gorąco, przeciągania, wylewania, odlewania
odśrodkowego, natapiania, napawania, spiekania,
Strona 137
ROZDZIAŁ 9
•
walcowania na zimno, tłoczenia, przeciągania, platerowania
wybuchem.
Platery niejednokrotnie składają się z kilku warstw różnych metali trwale
połączonych. Celem wytwarzania platerów jest uzyskanie kombinacji
żądanych właściwości głównie zwiększenia odporności na korozję, rzadziej poprawy właściwości przeciwciernych, lub specjalnych właściwości elektrycznych, cieplnych bądź też efektów estetycznych uzyskiwanych
przy niższych kosztach niż zastosowanie litego materiału.
Najczęściej plateruje się miękką stal węglową, rzadziej aluminium,
miedź, nikiel i ich stopy. Jako materiały powłokowe stosuje się stal odporną na korozję, miedź, nikiel, molibden i ich stopy, tantal, tytan oraz
metale szlachetne. Platery są produkowane w formie blach, płyt, taśm,
rur, prętów i drutów. Grubość nakładanych warstw, zależnie od rodzaju
i przeznaczenia może wahać się od 1,5 do 15% grubości podłoża, co
w praktyce oznacza, grubości od kilku mikrometrów nawet do kilku
milimetrów.
Utwardzanie detonacyjne jest to umacnianie metalu przez falę uderzeniową, powstającą w wyniku gwałtownego odparowania materiału podłoża pod działaniem energii czynnika zewnętrznego (strumień elektronów, strumień fotonów lub detonacji materiału wybuchowego).
Obróbka plastyczna na gorąco – kucie i walcowanie w temperaturze
wyższej niż temperatura rekrystalizacji.
Obróbka cieplna
Do obróbek cieplnych, w których do modyfikacji powierzchni wykorzystywane są zjawiska (zmiana struktury, zmiana stanu skupienia)
związane z oddziaływaniem ciepła na powierzchnię materiału zaliczamy:
Hartowanie, odpuszczanie i wyżarzanie powierzchni przeprowadzane
przez nagrzewanie warstwy wierzchniej metodą indukcyjną, płomieniową, plazmą, wiązką lasera i in., a następnie chłodzenie z określonymi
szybkościami. Obróbki te prowadzą do zmiany struktury stopów metali
jedynie na jego powierzchni, a tym samym do zmiany jej właściwości.
Cel i sposób prowadzenia obróbek został przedstawiony w rozdziale 8.
Nadtapianie – topienie warstwy powierzchniowej przez grzanie laserowe, elektronowe lub płomieniowe. Celem nadtapiania jest wygładzenie
powierzchni metalowych, uzyskanie struktury amorficznej lub uszczelStrona 138
KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH
nienie istniejących powłok. Uzyskujemy warstwy powierzchniowe o innych właściwościach bez zmiany składu chemicznego.
Napawanie – pokrywanie powierzchni metalu warstwą stopiwa (metal
natopiony na powierzchni techniką spawalniczą) tworzącą powłokę
o właściwościach zbliżonych do podłoża, w wypadku stosowania jej
w celu regeneracji, lub o właściwościach odmiennych od podłoża,
w wypadku zastosowania jej w celu podwyższenia trwałości. Napawanie
przeprowadza się technikami spawalniczymi, głównie łukowymi
i płomieniowymi.
Stapianie (wypalanie) – przeprowadzanie naniesionej na podłoże metalowe („na sucho” lub „na mokro”), w postaci zawiesiny sproszkowanej
masy emalierskiej do stanu zwartej, silnie przylegającej do podłoża,
szklistej, najczęściej nieprzezroczystej powłoki emalierskiej, zabezpieczającej przed korozją i podnoszącej walory estetyczne wyrobu. Stapianie realizuje się przez wypalanie masy emalierskiej w temperaturze
850÷950°C.
Obróbki chemiczne i elektrochemiczne
W metodach elektrochemicznych i chemicznych, wykorzystuje się do
wytwarzania powłok nieorganicznych na powierzchni metalu, albo do
wygładzania lub do czyszczenia powierzchni metalu – redukcję elektrochemiczną lub chemiczną, albo reakcję chemiczną.
Osadzanie metodami elektrochemicznymi i chemicznymi polega na wykorzystaniu reakcji chemicznych zachodzących zazwyczaj w ośrodkach
ciekłych, wskutek czego na powierzchni pokrywanego materiału powstaje powłoka. Rozróżnia się trzy metody osadzania:
•
elektrolityczne – pokrywanie metalu stanowiącego katodę
w procesie elektrolizy, jonami metalu zawartymi w elektrolicie ulegającymi redukcji i formującymi powłokę, podczas
przepływu prądu stałego przez elektrolit,
•
chemiczne – wytwarzanie powłok z metalu lub stopu w wyniku redukcji chemicznej w kąpielach lub przez natrysk na
powierzchnie metali,
•
konwersyjne – wytwarzanie na powierzchni metalu szczelnej warstwy trudno rozpuszczalnych związków chemicznych
utworzonych z metalu podłoża i jonów z roztworu reagująStrona 139
ROZDZIAŁ 9
cego środowiska, w którym zanurzony jest pokrywany
przedmiot lub który został natryskany.
Celem osadzania jest poprawa właściwości antykorozyjnych oraz walorów estetycznych wyrobów (oksydowanie stali, barwienie metali).
Polerowanie ma na celu uzyskanie gładkości i połysku powierzchni
przedmiotu. Realizowane jest w elektrolicie (polerowanie elektrolityczne) lub kąpieli chemicznej (polerowanie chemiczne) i polega na selektywnym rozpuszczaniu wierzchołków mikronierówności powierzchni.
Trawienie jest to usuwanie z powierzchni przedmiotu warstwy rdzy,
zgorzeliny lub tlenków. Stosuje się dwa rodzaje trawienia chemiczne
i elektrolityczne.
Metody fizyczne
Metody fizyczne służą do wytwarzania na powierzchniach metali lub
niemetali powłoki związanej z podłożem adhezyjnie, a w mniejszym
stopniu dyfuzyjnie, bądź też służą do wytworzenia warstwy wierzchniej,
wykorzystując różne zjawiska fizyczne, przebiegające pod obniżonym
ciśnieniem.
Zestalanie fizyczne (schnięcie) polega na przejściu, naniesionego w dowolny sposób na podłoże, tworzywa powłokowego ze stanu ciekłego
(lub plastycznego) w stan stały, w wyniku odparowania rozpuszczalnika,
w celu wytworzenia powłoki malarskiej.
Metoda PVD (Physical Vapour Deposition)
Fizyczne osadzanie z fazy gazowej polega na kondesacji par substancji
na powierzchni obrabianego wyrobu pod ciśnieniem niższym od atmosferycznego (10÷10-5Pa). W metodzie tej do uzyskania par metali i niemetali wykorzystuje się różne procesy fizyczne. Celem procesu jest
wytworzenie cienkich warstw modyfikujących fizyczne i chemiczne
właściwości powierzchni.
Przebieg procesu PVD
Strona 140
•
doprowadzenie osadzanego, trudno topliwego metalu do stanu pary przy wykorzystaniu grzania łukowego, oporowego
elektronowego lub laserowego,
•
doprowadzenie gazu,
KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH
•
transport par na powierzchnię docelową przy wykorzystaniu
jonizacji elektrycznej par metalu i gazu oraz przyspieszeniu
jonów dodatnich za pomocą pól elektrycznych,
•
kondensacja par na zimnym lub nieznacznie podgrzanym
(200÷500°C) podłożu.
Połączenie naniesionej powłoki i podłoża ma charakter adhezyjny i zależy od czystości podłoża, dlatego też stosuje się chemiczne i jonowe metody oczyszczania powierzchni. Technika ta pozwala stworzyć bardzo
zróżnicowane proste i złożone warstwy, przy użyciu najrozmaitszych
pierwiastków i związków, które charakteryzują się dużą twardością i odpornością na zużycie przez tarcie.
Rodzaje powłok
a)
proste: Al, Cu, Ti, TiC, Ag,
b)
złożone:
•
stopowe- wieloskładnikowe VN, ZrN, HfN z C
•
wielofazowe TiN/Ti2N kompozytowe: TiC/Al2O3
•
wielofazowe
•
wielowarstwowe: TiC/ TiN/ ZrN
•
gradientowe: TiN/ Ti(CN)/ TiC
Obecnie znanych jest kilkadziesiąt odmian i modyfikacji metod PVD,
które różnią się między innymi:
•
umiejscowieniem strefy otrzymywania i jonizowania par
nanoszonego materiału (oddzielnie lub wspólnie),
•
metodą otrzymywania par osadzanych metali lub związków
(odparowanie termiczne, sublimacja temperaturowa,
rozpylanie jonowe i magnetronowe),
•
metodą nanoszenia par metalu na podłoże (naparowanie,
napylanie jonowe lub platerowanie jonowe, rozpylanie),
•
udziałem intensyfikacji procesów nanoszenia warstw przez
metody reaktywne, aktywowane, mieszane.
Strona 141
ROZDZIAŁ 9
Tradycyjne metody PVD przebiegają w temperaturze rzędu 0÷200°C,
nowoczesne metody PVD w zakresie 350÷600°C.
Obróbka cieplno – chemiczna
Obróbka cieplno – chemiczna jest procesem polegającym na zamierzonej
dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy powierzchniowej materiału w celu uzyskania w niej odpowiednich właściwości użytkowych.
Dyfuzyjną zmianę składu chemicznego w metalach i ich stopach umożliwia wędrówka atomów, zachodząca dzięki istnieniu różnicy ich stężeń,
obecności przestrzeni między atomowych oraz błędów ułożenia atomów
w materiałach polikrystalicznych (wakansów, dyslokacji, jak również
granic ziaren).
Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje nasycania dyfuzyjnego:
•
niewspomagane, przebiegające bez udziału dodatkowych
czynników, do którego zaliczamy klasyczne obróbki azotowania i nawęglania stali,
•
wspomagane, realizowane z udziałem czynnika przyspieszającego i aktywującego proces dyfuzyjny.
Procesy wspomagane należą do technik nowej generacji, do których
należą metody CVD (Chemical Vapour Deposition – chemiczne osadzanie z fazy gazowej) i PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour
Deposition).
Nasycanie dyfuzyjne niewspomagane
Obróbka cieplno – chemiczna przeprowadzana jest w środowisku bogatym w składnik dyfundujący do metalu, a ośrodkiem aktywnym mogą
być ciała stałe, ciecze lub gazy. Dyfuzyjny proces wzbogacania warstwy
wierzchniej przebiega w trzech etapach:
•
dysocjacji w wyniku, której tworzą się aktywne atomy pierwiastka dyfundującego, np.
2CO CO2 + C,
NH3 3H + N,
•
Strona 142
adsorpcji aktywnych atomów na powierzchni metalu,
KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH
•
dyfuzji zaadsorbowanych atomów do metalu.
W wyniku tych trzech procesów powstaje warstwa dyfuzyjna, w której
stężenie dyfundującego pierwiastka osiąga maksimum na powierzchni
i maleje w miarę oddalania się od niej. Grubość warstwy nawęglonej
określa odległość od powierzchni, w której zawartość węgla wynosi
0.4%, taka zawartość węgla umożliwia otrzymanie po zahartowaniu
i odpuszczaniu twardości 52HRC. Grubość warstwy zależy w głównej
mierze od temperatury i czasu trwania procesu i wynosi 0,2÷2 mm. Optymalna struktura warstwy nawęglonej zawiera od 0,8 do 1,0% C
Dyfuzja atomów uwarunkowana jest:
•
wzajemną rozpuszczalnością metalu i pierwiastka nasycającego,
•
dążeniem układu do wyrównywania składu chemicznego
w całej objętości,
•
ruchami cieplnymi atomów.
Nawęglanie
Nawęglanie jest procesem polegającym na dyfuzyjnym nasycaniu
wierzchniej warstwy materiału węglem podczas wygrzewania wyrobów
w podwyższonej temperaturze w ośrodku zawierającym węgiel w postaci atomowej. Celem zabiegu jest uzyskanie wysokiej twardości powierzchniowej z zachowaniem elastycznego rdzenia.
Węgiel powstaje wskutek dysocjacji tlenku węgla albo metanu, zgodnie
z reakcjami:
2CO CO2 + C,
CH4 2H2 + C.
Rozpuszczalność węgla w Feγ jest znacznie większa niż w Feα dlatego
nawęglanie stali prowadzi się w temperaturze (820÷950°C) umożliwiającej powstanie struktury austenitycznej.
Przyrost twardości spowodowany wzbogaceniem warstwy powierzchniowej w węgiel jest niewielki, dlatego zasadniczym celem nawęglania
jest przygotowanie elementów do obróbki hartowania i odpuszczania
niskiego, które zapewnia wysoką twardość powierzchni przy zachowaniu właściwości plastycznych rdzenia.
Strona 143
ROZDZIAŁ 9
Po prawidłowo wykonanej obróbce cieplnej hartowania i odpuszczania
twardość warstwy nawęglonej wynosi ok. 60 HRC w stalach zwykłych
oraz 55÷63 HRC w stalach stopowych zaś twardość rdzenia w obu
wypadkach waha się od 30 do 45 HRC.
Wyroby po nasycenia wierzchniej warstwy stopu węglem i obróbce
cieplnej charakteryzują się:
•
wysoką twardością na powierzchni (twardość materiału zahartowanego zależy od zawartości węgla),
•
zwiększoną odpornością zmęczeniową,
•
zwiększoną odpornością na zużycie ścierne,
•
plastycznością rdzenia.
Do nawęglania przeznacza się stale niskowęglowe (0,1÷0,25%). Wśród
gatunków stali przeznaczonych do nawęglania znajdują się stale niestopowe np: C15E, C16R lub stopowe z dodatkiem chromu (np. 17Cr3),
chromu i manganu (np. 16MnCr5), chromu, manganu i niklu
(np. 18NiCr5-4), chromu i niklu (np. 16NiCrS4) oraz chromu, niklu
i molibdenu (np. 17NiCrMo6-4). Sumaryczna zawartość pierwiastków
stopowych w tych stalach nie przekracza 3,0%.
Przykładowe wyroby, dla których stosuje się nawęglanie:
•
koła zębate,
•
wałki rozrządu,
•
krzywki sterujące,
•
sworznie tłokowe,
•
pierścienie i wałki łożysk, itp.
Azotowanie
Azotowanie jest rodzajem obróbki cieplno-chemicznej, polegającym na
dyfuzyjnym nasyceniu wierzchniej warstwy materiału azotem. Celem
zabiegu jest:
•
Strona 144
uzyskanie bardzo trwałej i odpornej na zużycie ścierne warstwy wierzchniej elementów obrabianych przy zachowaniu
KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH
wysokich własności mechanicznych rdzenia – azotowanie
utwardzające,
•
zwiększenie właściwości antykorozyjnych stali i żeliw –
azotowanie antykorozyjne.
W związku z tym, że azotowanie powoduje utwardzenie powierzchni bez
konieczności stosowania obróbki cieplnej oraz, że cienka, bardzo twarda
warstwa azotowana wymaga znacznie sztywniejszego rdzenia, bo zbyt
łatwe jego dokształcenie prowadziłoby do jej pękania i złuszczania, azotowanie prowadzi się na wyrobach, które zostały uprzednio poddane
hartowaniu i średnim odpuszczaniu.
Niezbędny do wytworzenia warstwy dyfuzyjnej azot uzyskuje się w wyniku reakcji dysocjacji amoniaku zgodnie z reakcją:
2NH3 2N + 6H
Proces prowadzony jest w piecach ze szczelną retortą o naturalnej lub
wymuszonej cyrkulacji atmosfery w temperaturze 480÷560°C przez
0÷100 h. Uzyskuje się twardą, trudno ścieralną warstwę o grubości
0,1÷0,6 mm. Azotowaniu utwardzającemu poddaje się specjalne stale
stopowe, zawierające pierwiastki tworzące trwałe azotki o wysokiej dyspersji (AlN, CrN, MoN), które zapewniają zachowanie bardzo wysokiej
twardości stali aż do temperatury ok. 500°C.
Azotowaniu utwardzającemu podaje się średniowęglowe stale zawierające pierwiastki stopowe tworzące dyspersyjne azotki.
•
węgiel C = 0,2÷0,45% (węgiel zapewnia optymalne właściwości rdzenia),
•
pierwiastki stopowe Cr = 1,0÷3,5%, Mo = 0,15÷1,1%,
Al = 0,8÷1,2%, V= 0,1¸0,25% (w wyniku tworzenia dyspersyjnych azotków zapewniają maksymalna twardość powierzchni do temperatury 500°C)
Przykładowe gatunki to: 32CrAlMo7–10, 33CrMoV12–9.
Twardość po azotowaniu stali niestopowych wynosi ok. 1100HV,
co wiąże się z wytworzeniem na powierzchni fazy γ’(Fe4N), a stali
stopowych ok.1500HV na skutek utworzenia azotków pierwiastków
stopowych (AlN, CrN, MoN) o dużym stopniu dyspersji.
Strona 145
ROZDZIAŁ 9
Stale te stosuje się głównie na części silników spalinowych, jak np. wały
korbowe, korbowody, sworznie tłokowe, koła zębate, wałki rozrządowe,
pompy paliwowe oraz na narzędzia do obróbki plastycznej, elementy
wytłaczarek, wtryskarek itd.
Azotowanie innych stali stopowych, a także stali węglowych nie zapewnia uzyskania tak wysokich twardości warstwy powierzchniowej i stosowane jest jedynie w celu wytworzenia warstwy odpornej na korozję.
Azotowanie antykorozyjne przeprowadza się w temperaturze 600÷800°C
przez 1÷6 h, uzyskując warstwy o grubości od 0,005÷0,03 mm zawierające azotek typu ε–Fe2N.
Azotowanie antykorozyjne stosowane jest na: elementy wykonane ze
stali niestopowych i niskostopowych oraz żeliw np. palniki spawalnicze,
zawory, okucia budowlane, części hamulców kolejowych, części rowerów, części armatury wodociągowej i instalacji pary wodnej.
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej CVD (Chemical Vapour
Deposition)
Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) stosowane jest do otrzymywania cienkich warstw na rożnych materiałach. Celem obróbki jest uzyskanie zwiększonej odporności na zużycie ścierne oraz zwiększenie
odporności antykorozyjnej. Proces ten polega na wprowadzaniu do komory reakcyjnej, najczęściej gazowych substratów, gdzie na gorącym
podłożu zachodzą odpowiednie reakcje chemiczne w wyniku, których
powstają produkty, które dyfundują w powierzchniowe warstwy materiału. Tradycyjne metody (niewspomagane) prowadzone są zazwyczaj
pod ciśnieniem atmosferycznym i wymagają stosowania wysokich temperatur. Wysokie temperatury umożliwiają rozkład gazowych reagentów
(900÷1100°C) i/lub przebieg reakcji chemicznych tworzących produkty
wzbogacające warstwę wierzchnią.
Istotą procesu są reakcje, zachodzące w fazie gazowej w pobliżu podłoża
jak i na granicy faz ciało stale – gaz. Reakcjom towarzyszy zarodkowanie i wzrost krystalitów oraz procesy dyfuzyjne. Proces determinowany
jest termodynamicznie i kinetycznie. W metodzie tej zasadniczą rolę
spełnia temperatura prowadzenia procesu, w mniejszym stopniu ciśnienie, skład gazu oraz sposób przygotowania powierzchni materiału.
Jako źródła pierwiastków, z których ma powstać warstwa, stosuje się
różne substraty gazowe i ciekłe – zwane prekursorami (wodorki, chlorki
itp.) doprowadzane do komory reaktora za pomocą obojętnych gazów
Strona 146
KSZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH
nośnych (argon, hel) lub gazów, które mogą brać udział w reakcjach
tworzących warstwę (tlen, azot, metan, wodór).
Otrzymane tą metodą warstwy maja bardzo dobrą przyczepność do
podłoża i najczęściej stosowane są jak warstwy antyścierne i antykorozyjne. Wysokie temperatury procesu w zdecydowany sposób ograniczają
wykorzystanie tej metody. Dlatego też najczęściej stosowana jest do
obróbki węglików spiekanych oraz obróbki mało obciążanych części
maszyn, dla których bardzo istotna jest odporność na zużycie przez tarcie. Metodą tą nanoszone są między innymi warstwy wysokotopliwych
węglików (TiC) lub azotków (TiN) metali na narzędzia do obróbki
skrawaniem wykonane z węglików spiekanych.
Techniki jarzeniowe
Techniki jarzeniowe należą do procesów obróbki cieplno – chemicznej
w atmosferze gazowej z wykorzystaniem zjawiska wyładowania jarzeniowego i są stosowane między innymi do azotowania stali i stopów
tytanu. Przedmioty obrabiane, stanowiące katodę umieszcza się w
komorze roboczej, której ścianki są anodą. Gaz reaktywny wprowadza
się do komory roboczej przy ciśnieniach 1÷13 hPa przy ciągłym
przepływie określonej mieszaniny gazowej (tzw. próżnia dynamiczna).
Różnica potencjałów między anodą i katodą wynosi 400÷1800 V w zależności od składu chemicznego mieszaniny gazowej. W tych warunkach
jest utrzymywane anormalne wyładowanie jarzeniowe. Napięcie przyłożone do elektrod reaktora, powoduje przepływ prądu jonowego. Jony
uderzając o powierzchnię katody mogą powodować wtórną emisję elektronów, rozpylanie materiału, wnikanie w głąb materiału oraz lokalny
wzrost temperatury. Bombardowanie katody jonami dodatnimi doprowadza do wzrostu jej temperatury, przy czym wzrost ten kontrolowany jest
przez regulację natężenia prądu jonowego i napięcia między elektrodami. Ogrzana elektroda, otoczona gazem częściowo zjonizowanym
i wzbudzonym, częściowo zdysocjowanym, reaguje z nim, absorbując
atomy gazu. Tworzony w ten sposób gradient koncentracji jest motorem
dyfuzji w głąb katody. Absorpcja gazu może być powodowana przez
chemisorpcję, implantację i rozpylanie katodowe.
Azotowanie jarzeniowe w zależności od parametrów procesu i rodzaju
podłoża umożliwia uzyskanie warstw o różnym stopniu twardości.
W celu uzyskania zamierzonych wyników azotowania sterowaniu poddaje się następujące parametry procesu:
•
skład gazu roboczego,
Strona 147
ROZDZIAŁ 9
•
ciśnienie w zakresie 1÷13 hPa,
•
temperatura obrabianego elementu,
•
czas procesu.
Metoda azotowania jarzeniowego jest stosowana do obróbki szeregu
gatunków stali i stopów tytanu. Azotowaniu poddaje się: stale konstrukcyjne stopowe, narzędziowe, szybkotnące, nierdzewne oraz żaroodporne
i żarowytrzymałe. Ta nowoczesna i energooszczędna metoda obróbki
cieplno – chemicznej stosowana jest do zwiększenia trwałości wielu
elementów maszyn i narzędzi. Azotowaniu jarzeniowemu podaje się
między innymi: ślimaki do wtryskarek i wytłaczarek, wały korbowe,
części skrzyni biegów, koła zębate, dysze wtryskiwaczy, formy, matryce,
wiertła, gwintowniki itp.
Strona 148
`
10
Przemysłowe stopy
żelaza
W tym rozdziale:
o
o
o
Klasyfikacja stali
Oznakowanie stali
Przykładowe stale przemysłowe
ROZDZIAŁ 10
10.1. Klasyfikacja stali
Klasyfikacji gatunków stali dokonuje się zgodnie z normą PN-EN
10020: 2003 według składu chemicznego i klas jakościowych.
STAL jest przerobionym plastycznie technicznym stopem żelaza z węglem zawierającym masowo więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego
pierwiastka, o zawartości węgla w zasadzie mniejszej niż 2% i zawierającym inne pierwiastki.
Rysunek 10.1. Klasyfikacja stali zgodnie z PN-EN 10020: 2003
Klasyfikacja według składu chemicznego opiera się na analizie wytopowej podanej w normie wyrobu lub warunkach dostawy w zależności od
minimalnej zawartości podanej dla każdego pierwiastka bez względu na
sposób wytwarzania stali.
Stale zgodnie z tą klasyfikacją dzielimy na:
Strona 150
•
stale niestopowe, w których zawartość pierwiastków stopowych jest mniejsza od wartości granicznych podanych
w tabeli 10.1;
•
stale odporne na korozję zawierające, co najmniej 10,5%
chromu i maksymalnie 1,2 % węgla;
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
•
inne stale stopowe, w których zawartość przynajmniej jednego pierwiastka osiąga lub przekracza wartość graniczną podaną w tabeli 10.1.
Tabela 10.1 Granica między stalami niestopowymi i stopowymi
(wg PN-EN 10020:2003)
Zawartość graniczna
(% masowy)
Aluminium,
Al
0,30
Bizmut
Bi
0,10
Bor,
B
0,0008
Chrom,
Cr*
0,30
Cyrkon
Zr
0,05
Kobalt,
Co
0,30
Krzem
Si
0,60
Lantanowce, każdy,
La
0,10
Mangan
Mn
1,65*
Miedź,
Cu
0,40
Molibden,
Mo
0,08
Nikiel, Mo*
Ni
0,30
Niob
Nb
0,06
Ołów, Ni*
Pb
0,40
Selen
Se
0,10
Tellur
Te
0,10
Tytan
Ti
0,05
Wanad
V
0,10
Wolfram
W
0,30
Inne (każdy oprócz fosforu, siarki i azotu)
0,10
Jeżeli w normie wyrobu lub warunkach dostawy są określone jedynie
maksymalne zawartości pierwiastków według analizy wytopowej to do
klasyfikacji stali należy przyjąć wartość stanowiącą 70% maksymalnej
zawartości. Reguła ta nie dotyczy manganu.
*Jeżeli jest określona tylko maksymalna zawartość manganu, jego
graniczna zawartość wynosi 1,80% i nie stosuje się zasady 70%.
Nazwa pierwiastka
Symbol Pierwiastka
Klasy jakościowe stali niestopowych
Stale niestopowe jakościowe
Dla tych stali określa się jedynie wymagania dotyczące niektórych właściwości przykładowo takich jak: ciągliwość, podatność na obróbkę plastyczną i/lub wielkość ziarna. Stalami niestopowymi jakościowymi są
wszystkie stale niestopowe niezaliczane do stali niestopowych specjalnych.
Strona 151
ROZDZIAŁ 10
Stale niestopowe specjalne
Stale specjalne charakteryzują się:
•
mniejszym niż stale jakościowe udziałem wtrąceń niemetalicznych (zawartość fosforu + siarki ≤ 0,02% dla analizy
wytopowej),
•
dokładnym regulowaniem składu chemicznego,
•
określonymi wymaganiami wielu właściwości mechanicznych, technologicznych i użytkowych.
Generalnie przeznaczone są one do hartowania i odpuszczania lub utwardzania powierzchniowego. Dokładne regulowanie składu chemicznego
i wyższa czystość tych stali zapewnia im odpowiednie właściwości użytkowe np. hartowność, spawalność, regulowaną wartość granicy plastyczności.
Stale odporne na korozję
Klasyfikacja tych stali ze względu na zawartość niklu:
•
o zawartości niklu < niż 2,5%,
•
o zawartości niklu ≥ 2,5%.
Podział stali odpornych na korozję ze względu na właściwości:
•
stale nierdzewne,
•
stale żaroodporne,
•
stale żarowytrzymałe.
Klasyfikacja jakościowa stali stopowych
Stale stopowe jakościowe
Stale konstrukcyjne:
•
Strona 152
spawalne drobnoziarniste, spawalne o określonej minimalnej
granicy plastyczności, określonej minimalnej udarności oraz
określonej zawartości pierwiastków stopowych zgodnie
z tabelą 10.2,
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
•
stale stopowe, których jedynym wymaganym dodatkiem stopowym jest miedź.
Tabela 10.2. Stężenie graniczne pierwiastków stopowych między stalami
stopowymi jakościowymi, a stalami specjalnymi (wg PN-EN 10020:2003)
Mangan
Mn
Zawartość
graniczna
(% masowy)
1,8
Chrom
Cr
0,5
Miedź,
Cu
0,5
Cyrkon
Zr
0,12
Tytan
Ti
0,12
Wanad
V
0,12
Molibden
Mo
0,10
Nikiel
Ni
0,08
Niob
Nb
0,08
Nazwa
pierwiastka
Symbol
Pierwiastka
Stale inne
•
stale stopowe przeznaczone do produkcji szyn, grodzic
i kształtowników na obudowy górnicze,
•
stale stopowe elektrotechniczne,
•
stale stopowe przeznaczone do produkcji płaskich wyrobów
walcowanych do obróbki plastycznej na zimno.
Stale stopowe specjalne
Stalami stopowymi specjalnymi są wszystkie stale stopowe, które nie
zostały ujęte u klasyfikacji stali nierdzewnych oraz stali stopowych
jakościowych.
Obejmują one następujące stale stopowe:
•
stale narzędziowe,
•
stale różne: o szczególnych właściwościach fizycznych, stale
szybkotnące, stale łożyskowe,
•
stale konstrukcyjne, maszynowe i na zbiorniki ciśnieniowe.
Strona 153
ROZDZIAŁ 10
Klasyfikacja stali według stopnia odtlenienia
W stalach nieodtlenionych (nieuspokojonych) przy krzepnięciu we
wlewnicy dochodzi do reakcji węgla z rozpuszczonym tlenem,
w wyniku, czego tworzy się tlenek węgla, który gwałtownie wydziela się
z ciekłej stali.
Uspokajanie stali – końcowy proces wytopu stali, polegający na odtlenianiu w celu zmniejszenia wydzielania gazów podczas krzepnięcia we
wlewnicy. Stal uspokojona jest odtleniona w taki sposób, by podczas
krzepnięcia proces wydzielania gazów był całkowicie wyeliminowany.
Proces ten polega na dodaniu pod koniec procesu stalowniczego do ciekłej stali pierwiastków chemicznych (odtleniaczy) łączących rozpuszczony tlen w tlenki (aluminium, manganu lub siarki).
W zależności od stopnia odtleniania wyróżnia się stal:
•
nieuspokojoną,
•
półuspokojoną,
•
uspokojoną.
10.2. Oznakowanie stali
Obecnie w Unii Europejskiej obowiązują dwa systemu oznakowania
stali:
•
znakowy, w którym znak stali składa się z symboli literowych i cyfr (wg PN-EN 10027-1:2007),
•
cyfrowy, w którym numer stali składa się tylko z cyfr
(wg PN-EN 10027-2:1994).
Każdy gatunek stali ma nadany znak i numer, który jednoznacznie identyfikuje tylko jeden materiał. W przypadku systemu literowo – cyfrowego symbole literowe są odpowiednio dobrane tak, że wskazują na główne cechy stali np. zastosowanie, właściwości mechaniczne, skład chemiczny. Umożliwia to identyfikacje poszczególnych gatunków stali.
W przypadku oznaczenia stali w systemie cyfrowym każdy gatunek stali
ma nadany numer składający się z pięciu cyfr, który można stosować
Strona 154
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
zamiast znaku stali. Numer gatunku stali nadaje Europejskie Biuro Rejestracyjne.
W systemie cyfrowym oznaczenie gatunku stali składa się z pięciu cyfr:
1.nnxx, gdzie 1 – oznacza stal, nn – człon składający się z dwóch cyfr
oznacza grupę stali, xx – trzeci człon, również dwucyfrowy, wyróżnia
dany gatunek w grupie.
Tabela 10.3 System cyfrowy oznakowania stali
1
Stal
nn
Grupa stali
Przykładowo:
1.
1.
00÷
÷07
90÷
÷97
Stale niestopowe jakościowe.
1.
10÷
÷19
Stale niestopowe specjalne.
1.
40÷
÷49
Stale stopowe odporne na korozję i
żaroodporne.
1.
50÷
÷89
Stale stopowe konstrukcyjne,
maszynowe i na zbiorniki ciśnieniowe.
xx
Gatunek stali
Numer stali
charakterystycz
ny dla danego
gatunku.
Numer stali ustala się dla gatunków stali, wg ich charakterystyki obejmującej:
•
skład chemiczny,
•
twardość, właściwości wytrzymałościowe, udarność. hartowność, odporność na korozję, parametry metalograficzne,
•
podatność na przerób, np. kształtowanie na zimno,
•
przydatność na specjalne zastosowania, np. na drut kordu
w oponie.
Strona 155
ROZDZIAŁ 10
Rysunek 10.2. Fragment cyfrowego systemu oznaczeń stali
(pierwsze 3 cyfry z pięciocyfrowego numeru) wg PN-EN 10027-2:1994
Numery stali ustala się tylko dla gatunków, które mają znaczenie handlowe.
Strona 156
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
Tabela 10.4. Przykład cyfrowego oznaczenia stali stopowych
specjalnych (pierwsze 3 cyfry z pięciocyfrowego numeru)
Stale odporne na korozję i żaroodporne
1.40
Stal odporna na korozję o zawartości poniżej 2,5% Ni, bez Mo, Nb i Ti
1.41
Stal odporna na korozję o zawartości poniżej 2,5% Ni i Mo lecz bez Nb
i Ti
1.42
Miejsce zapasowe
1.43
Stal odporna na korozję o zawartości powyżej 2,5% Ni bez Mo, Nb, Ti
1.44
Stal odporna na korozję o zawartości poniżej 2,5% Ni i Mo lecz bez, Nb,
Ti
1.45
Stal odporna na korozję ze specjalnymi dodatkami
1.46
Stopy Ni odporne chemicznie i żaroodporne
1.47
Stale żaroodporne o zawartości poniżej 2,5% Ni
1.48
Stale żaroodporne o zawartości powyżej 2,5% Ni
1.49
Materiały do pracy w podwyższonych temperaturach
Ustalanie znaków stali w systemie literowo cyfrowym wg
PN-EN 10027-1:1994
Rozróżnia się dwie grupy znaków:
•
zawierające symbole wskazujące zastosowanie oraz właściwości mechaniczne lub fizyczne stali,
•
zawierające symbole wskazujące skład chemiczny stali.
Budowa znaku stali
Grupa 1. Stale oznaczone wg ich zastosowania i właściwości
mechanicznych i fizycznych.
Oznakowanie to składa się z ciągu liter i cyfr, przy czym pierwszym
symbolem jest litera wskazująca na przeznaczenie, a drugim cyfra
wskazująca na wytrzymałość stali, wg poniższego schematu.
Strona 157
ROZDZIAŁ 10
Tabela 10.5. Symbole główne stali oznaczanych według zastosowania
i właściwości (wg PN-EN 10027-1:2007)
Gatunki stali lub
wyroby ze stali
Konstrukcyjna
Pracująca pod
ciśnieniem
Na rury przewodowe
Maszynowa
Stal do zbrojenia
betonu
Stal do betonu
sprężonego
Oznaczenie literowe
stali
S
P
L
E
Wyroby walcowni
blachy ocynkowanej
Wyroby ze stali
miękkich do
kształtowania
na zimno (poza tymi
ze znakiem H)
Stale
elektrotechniczne
Strona 158
Liczba równa minimalnej
granicy plastyczności w [MPa]
B
Y
Stal na szyny lub
w postaci szyn
Wyroby płaskie
o podwyższonej
wytrzymałości
do kształtowania
na zimno
Liczbowe oznaczenie
właściwości stali
R
HC lub HCT –
walcowane na zimno
HD lub HDT– walcowane
na gorąco
HX lub HXT– dla
wyrobów bez
charakterystyki
walcowania
TH – dla wyrobów
powlekanych w sposób
ciagły
TS – dla produktów
powlekanych etapami.
DC – walcowane na zimno
DD – walcowane na
gorąco
DX – dla wyrobów bez
charakterystyki
walcowania
M
Liczba równa nominalnej
wytrzymałości na rozciąganie
[MPa]
Liczna równa minimalnej
twardość Brinella HBW
Liczba równa minimalnej
granica plastyczności [MPa] lub
po symbolu T liczba równa
minimalnej wartości
wytrzymałości na rozciąganie
w [MPa]
Liczba równa minimalnej
granicy plastyczności w [MPa]
oraz dwa symbole cyfrowe lub
literowe charakteryzujące stal
(np. DC03).
Liczbę będącą 100-krotną
wymaganą maksymalną
stratnością w W/kg,
liczbę będącą 100-krotną
nominalną grubością wyrobu
w mm;
literę oznaczającą rodzaj blachy
lub taśmy elektrotechnicznej, tj.:
A, D, E, S, P (np. M430–
50D).
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
Tabela 10.6. Przykładowe symbole główne i dodatkowe stali
konstrukcyjnych i maszynowych oznaczanych według zastosowania
i właściwości (wg PN-EN 10027-1:2007)
Gatunek stali
Symbole główne
Oznaczenie
Właściwości
literowe stali stali
Symbole Dodatkowe
Grupa 1
Grupa 2
A, M, N, Q,
G, symbol
wymaganej
udarności
G, symbol
wymaganej
udarności
C, D, E, F, H, L,
M, N, P, Q, S, T,
W
Konstrukcyjna
S
Maszynowa
E
3 cyfrowa
wartość
minimalnej
wartości Re w
MPa
S
235
JR
(udarność)
Q
(ulepszane
cieplnie)
L
(do stosowania w
niskich
temperaturach)
G
(inne cechy)
C
(kształtowane na
zimno lub do
kształtowania na
zimno
C
Przykłady oznakowania
S235JR
S460QL
S
460
E335
E
335
E295GC
E
295
Tabela 10.7. Przykładowe oznakowanie niestopowych stali
konstrukcyjnych i maszynowych
Wg PN-EN10027-1
Wg PN-EN 10027-2
Wg PN-88/H-84020
S185
1.0035
(St03)
S235JR
1.0037
(St3)
S235JRG1
1.0036
(St3SX) (St3VX)
S235JRG2
1.0038
(St3SY), (ST3V),(ST3VY)
E295
1.0050
(St5)
E335
1.0060
(St6)
E360
1.0070
(St7)
Strona 159
ROZDZIAŁ 10
Grupa 2 Stale oznaczone wg składu chemicznego
Podgrupa 2.1
Stal niestopowa o średniej zawartości manganu < 1% (bez stali automatowej)
Znak stali składa się z następujących symboli głównych:
•
Litery C
•
Liczby określającej 100-krotną wartość wymaganej zawartości procentowej węgla,
•
oraz symbolu dodatkowego wg normy.
Do tej grupy zaliczamy:
•
Stal niestopową ogólnego zastosowania (C10, C15, C16),
•
Stal niestopową specjalną sprężynową (np. C125S),
•
Stale niestopowe do ulepszania cieplnego (np. C60E, C60R),
E – stal z wymaganym maksymalnym stężeniem siarki, R –
stal z wymaganym zakresem stężenia siarki),
•
Stal niestopową do nawęglania (np. C10R, C10E),
•
Stal jakościową niestopową do spęczania i wyciskania na
zimno (C15C, C10C, C – ciągniony),
•
Stal narzędziową niestopową (C45U).
Podgrupa 2.2
Stale o średniej zawartości manganu 1% i stale stopowe, o zawartości
każdego pierwiastka stopowego <5% (bez szybkotnących)
Znak stali składa się z następujących symboli głównych:
Strona 160
•
liczby określającej 100–krotną wartość wymaganej zawartości procentowej węgla,
•
symboli pierwiastków chemicznych – składników stopowych stali uporządkowanych wg malejącej zawartości, a gdy
dwa mają taką samą zawartość – to wg kolejności al.fabetycznej,
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
•
liczb równych iloczynowi średniej zawartości poszczególnych pierwiastków i odpowiednich współczynników z tabeli 10.8 (zaokrąglonych do najbliższej liczby całkowitej) oddzielonych od siebie kreską poziomą,
•
oraz symbolu dodatkowego wg normy.
Na przykład 40CrMnNiMo8-6-4
Tabela 10.8. Wartości współczynników do wyznaczania znaku stali
z podgrupy 2.2
Pierwiastek
Cr, Co, Mn, Ni, Si, W
Współczynnik
4
Al., Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr
10
Ce, N, P, S,
100
B
1000
Stale stopowe zawierające co najmniej 1 pierwiastek stopowy w ilości
≥ 5% (bez stali szybkotnących):
Znak tych stali składa się z:
•
litery X,
•
liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością
węgla,
•
symboli chemicznych pierwiastków stopowych stali w kolejności malejącej zawartości,
•
liczb (zaokrąglonych do liczby całkowitej) oznaczających
średni procent zawartości poszczególnych pierwiastków,
•
oraz symbolu dodatkowego wg normy
Na przykład X38CrMoV5–3
Podgrupa 2.4
Stale szybkotnące
Znak tych stali składa się z następujących symboli literowych i liczbowych:
•
liter HS,
Strona 161
ROZDZIAŁ 10
•
liczb oznaczających procentowe zawartości (zaokrąglone do
liczb całkowitych) pierwiastków stopowych w następującej
kolejności: wolfram, molibden, wanad, kobalt;
zawartość chromu w stalach szybkotnących nie jest podawana, gdyż jest
we wszystkich gatunkach tych stali taka sama i wynosi od 4,0 do 4,5%.
Na przykład: HS6-5-2-5
10.3. Przykładowe stale
przemysłowe
Stale konstrukcyjne i maszynowe
Kryteriami doboru materiałów konstrukcyjnych są:
•
uzyskanie możliwie jak najlżejszych konstrukcji,
•
wykorzystanie w pełni właściwości materiałów – np. zastosowanie obróbki cieplnej, lub obróbki plastycznej, zwiększającej (Re, Rm),
•
minimalizacja kosztów materiałowych,
•
korzystanie z wyników badań eksploatacyjnych dla podobnych konstrukcji.
Stale konstrukcyjne powinny mieć następujące cechy:
Strona 162
•
dobrą spawalność ze względu na łączenie ich spawaniem
lub zgrzewaniem,
•
wysoką odporność na kruche pękanie, czyli wysokie wydłużenie (A) i przewężenie (Z) oraz udarność (K) w zakładanej
temperaturze pracy, również w temperaturach poniżej 0°C,
•
jak najwyższe właściwości wytrzymałościowe (Re, Rm) gwarantujące obniżenie ciężaru konstrukcji,
•
niską cenę ze względu na powszechne stosowanie.
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
Stale konstrukcyjne niestopowe stosowane są do mało odpowiedzialnych konstrukcji nitowanych, spawanych lub łączonych śrubami, pracujących w temperaturze otoczenia i należą do stali niestopowych jakościowych. Zwykle nie są poddawane obróbce cieplnej.
Do stali konstrukcyjnych niestopowych zaliczane są:
•
stale konstrukcyjne niestopowe na wyroby walcowane na
gorąco (S355JR), gdy stal jest kształtowana na zimno jej
znak uzupełniany jest literą C (S355JRC) – (tabela 10.9),
•
stale niestopowe konstrukcyjne na kształtowniki zamknięte
walcowane na gorąco (S355J2H, H – kształtowniki
zamknięte),
•
stale niestopowe przeznaczone na grodzice walcowane na
gorąco (S430GP, P – na grodzice),
•
stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawane po normalizowaniu lub walcowaniu normalizującym (S275NL, N – normalizowane, L – do stosowania w niskiej temperaturze). Dla
stali tych wyznaczana jest udarność w temperaturze – 50°C
(tabela 10.10).
Stale te są wytwarzane głównie przez walcowanie na gorąco:
•
walcowanie konwencjonalne, którego celem jest nadanie odpowiedniego kształtu,
•
walcowanie cieplno – plastyczne (normalizujące lub termomechaniczne), którego celem jest nadanie kształtu oraz
wytworzenie drobnoziarnistej struktury.
Dostarczane są w postaci blach, prętów, kształtowników i rur. Stosowane są w dużych ilościach, a głównym sposobem ich łączenia jest spawanie.
O cechach stali konstrukcyjnych decyduje ich skład chemiczny,
a w szczególności zawartość węgla (C), manganu (Mn) i krzemu (Si).
Spawalność stali jest zależna od zawartości pierwiastków stopowych
stopu. Dobrą spawalność bez dodatkowych zabiegów przed i po spawaniu zapewnia warunek:
CEV = %C +
% Mn %Cr + % Mo + %V % Ni + %Cu
+
+
6
5
15
Strona 163
ROZDZIAŁ 10
gdy CEV ≤ 0,45% stale spawane są bez żadnych ograniczeń.
Przyjmując dla stali niestopowych tylko dwa pierwsze składniki zależności na CEV uzyskujemy dla nich maksymalną zawartość węgla
C ≤ 0,25%.
Stale konstrukcyjne niestopowe umacniane są przez:
•
umocnienie roztworowe,
•
umocnienie przez granice ziaren.
Tabela 10.9. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości mechaniczne
oraz zastosowanie przykładowych niestopowych stali konstrukcyjnych
i maszynowych wg PN-EN 10025-1:2007
Maksymalne stężenie pierwiastków [%]
Stal
S185
C
Mn
Si
P
S
N
–
–
–
–
–
–
S235JR
S235J0
0,17
1,4
–
S235J2
S355JR
0,24
S355J0
0,2
1,6
S355J2
0,2
S355K2
0,2
S450J0
0,2
1,7
E295
–
E335
E360
0,55
Próba
Rm
w
A%
[MPa]
[°°C]
290
18
–
KV
[J]
–
0,035
0,03
0,012
20
0,03
0,03
0,012
0,025
0,025
–
−20
0,035
0,035
0,012
20
27
0,03
0,03
0,012
0
27
−20
27
−20
40
360
470
26
0
27
22
0,025
0,025
–
0,025
0,025
–
0,55
0,03
0,03
0,025
550
17
0
27
–
–
0,045
0,045
0,012
470
20
–
–
–
–
–
0,045
0,045
0,012
570
16
–
–
–
–
–
0,045
0,045
0,012
670
11
–
–
Zastosowanie
Konstrukcje spawane, nitowane i łączone śrubami pracujące w temperaturze otoczenia Stal S185 nie spawalna.
Ze względu na ograniczoną zawartość węgla, umocnienie roztworowe
uzyskiwane jest przez dodanie do stali manganu (Mn ≤ 2,1%) i krzemu
(Si ≤ 0,8%). Wyższe wymagania wytrzymałościowe można otrzymać
przez uzyskanie drobnoziarnistej struktury w wyniku normalizowania
lub walcowania normalizującego. Pozwala to na uzyskanie w stalach
konstrukcyjnych zawierających ≈ 0,2 % C granicy plastyczności
Re = 460 MPa.
Strona 164
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
Do stali konstrukcyjnych stopowych zaliczamy:
•
stale konstrukcyjne o podwyższonej wytrzymałości ulepszane cieplnie (S960QL), stosowane na odpowiedzialne elementy konstrukcji (tabela 10.11),
•
stale o wysokiej granicy plastyczności, walcowane termomechanicznie, przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno
(S700MC, M – walcowane termomechanicznie), stosowane
na elementy konstrukcji kształtowane metodami obróbki
plastycznej na zimno,
•
stale o wysokiej granicy plastyczności, normalizowane,
przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno – S420NC,
stosowane na elementy konstrukcji kształtowane metodami
obróbki plastycznej na zimno,
•
stal konstrukcyjną stopową drobnoziarnistą spawalną –
S420 NL (tabela 10.10),
•
stale konstrukcyjne drobnoziarniste na kształtowniki zamknięte wykonane na gorąco (S460NLH), stosowane na elementy konstrukcji wykonane z kształtowników zamkniętych,
•
stal konstrukcyjną stopową trudnordzewiejącą (S355J2W,
W – trudno rdzewiejąca), stosowaną na konstrukcje narażone na działanie korozji atmosferycznej.
Najwyższe właściwości wytrzymałościowe uzyskują niskowęglowe
(≈ 0,2 %C) stale stopowe ulepszane cieplnie, zwykłe hartowane bezpośrednio z temperatury walcowania i następnie odpuszczane do struktury
sorbitu (tabela 10.11). Uzyskują Re = 960 MPa. Utwardzanie wydzieleniowe jest przeprowadzane w tracie regulowanego walcowania, podczas
którego wydzielane są dyspersyjne cząstki węglików lub węglikoazotków.
Strona 165
ROZDZIAŁ 10
Tabela 10.10. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości mechaniczne
oraz zastosowanie spawanych stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych
po normalizowaniu lub walcowaniu normalizującym,
wg PN-EN10025-3:2007
Maksymalne stężenie pierwiastków [%]
Stal
C
S275N1
Mn
Si
Ni
V
N
Rm
[MPa]
A%
1,5
0,4
0,3
0,05
0,015
370
24
0,18
1
S275NL
1
S355N
0,16
0,2
1
S355NL
0,18
S420N
0,2
1,65
1,7
0,5
0,6
0,5
0,8
0,12
0,2
0,015
0,025
470
520
22
19
S420NL
S460N
0,2
1,7
0,6
0,8
S460NL
0,2
0,025
540
KV [J]
−20°°C −50°°C
40
–
47
27
40
–
47
27
40
–
47
27
40
–
47
27
17
Pozostałe składniki: Cu≤0,55; P≤0,03; S≤0,025; Cr≤0,3; Mo≤0,1; Nb≤0,05; Ti≤0,05.
Dla stali L P≤0,25, S≤0,02. 1 – stale sklasyfikowane, jako niestopowe.
Zastosowanie: konstrukcje spawane
Strona 166
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
Tabela 10.11. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości mechaniczne
i zastosowanie przykładowych stopowych stali konstrukcyjnych o podwyższonej wytrzymałości w stanie ulepszonym cieplnie (hartowane
bezpośrednio z temperatury końca obróbki plastycznej, a następnie
odpuszczane) wg PN-EN10025-6:2007
Stal
Max. stężenie w % wag.
Rm
[MPa]
Rp0,2
[MPa]
A
[%]
−20
−40
17
30
27
500
17
30
27
27
–
620
15
30
27
27
–
30
27
35
30
27
–
30
27
C
P
S
S460QL
0,2
0,02
0,01
550
460
S500 QL
0,2
0,02
0,01
590
0,2
0,02
0,01
700
S620Q
S620QL
S690Q
S690QL
0,2
S690QL1
S960Q
0,025
0,01
0,02
0,015
0,02
0,01
0,025
0,015
0,2
S960QL
770
980
0,02
0,01
KV [J]
690
960
14
10
Pozostałe składniki: Mn–1,7; Si–0,8; V–0,12; Nb–0,06; Cr– 1,5; Ti–0.05; Ni–2,0;
Zr–0,15; Cu–0,5; N–0,015; Mo–0.7; B–0,005.
Stal
Zastosowanie
S460QL
S500QL
Obciążone części
konstrukcji.
S620QL
S890QL
Bardzo obciążone części
konstrukcji.
S960Q
Najbardziej obciążone
części konstrukcji.
S960QL
Części konstrukcji, także spawanych,
np. dźwigów, mostów, budynków,
cystern, zbiorników wodnych i śluz,
pracujących w temperaturze pokojowej
i obniżonej.
Blachy grube i blachy uniwersalne w stanie ulepszonym cieplnie o gr. 3-150 mm
Niestopowe i stopowe stale sprężynowe (PN-EN10132-4 dostarczane
w postaci taśm, PN-EN10270:2004 dostarczane w postaci drutu).
Wymagania stawiane stalom sprężynowym to:
•
duża wartość granicy sprężystości (Rsp),
•
duża wartość umownej granicy plastyczności (Rp0,2),
•
wysoki stosunek Rsp/Rp0,2 oraz Rsp/Rm,
•
duża wytrzymałość zmęczeniowa,
Strona 167
ROZDZIAŁ 10
•
pewna minimalna ciągliwość zapobiegająca pękaniu przy
przeciążeniu.
Wysoką granicę sprężystości (Rsp) oraz wytrzymałości na rozciąganie
(Rm) zapewnia tym stalom:
•
wysoka zawartość węgla od 0,35 ÷1,25%,
•
obróbka plastyczna na zimno taśm i drutów,
•
lub ulepszanie cieplne (hartowanie i średnie odpuszczanie),
•
oraz odpowiedni skład chemiczny.
Tabela 10.12. Orientacyjna wytrzymałość na rozciąganie stali sprężynowych wg PN-EN10132-4:2004 i PN-EN10270:2004
Postać
Niestopowa
Taśmy
Druty
Stopowa
Sprężynowa
Stal
Taśmy
Rodzaj
umocnienia
Umacnianie
zgniotem na
zimno
Ulepszanie
cieplne
Umacnianie
zgniotem na
zimno
Ulepszanie
cieplne
Oznaczenie
d [mm]
Rm [MPa]
C125S+CR
–
do 1200
C125S+QT
–
1100 ÷ 2100
SL, DH
20
5
1
0,05
1100 ÷ 1300
1260 ÷ 1840
1700 ÷ 2470
2800 ÷ 3500
52SiCrNi5
–
1300 ÷ 2100
1
8,5÷10
1400 ÷1800
0,5÷0,8
1850 ÷ 2300
1)
Oznaczane charakteryzuje stosowane obciążenia S – statyczne, D – dynamiczne,
L – niskie, M – średnie, H – wysokie.
Zastosowanie – Sprężyny i resory.
Druty
TDCrV
Największe właściwości wytrzymałościowe uzyskują stale sprężynowe
w postaci drutu otrzymywane w wyniku patentowania. Obróbka ta polega na wielokrotnym powtarzaniu:
Strona 168
•
austenityzowania w celu uzyskania drobnego ziarna,
•
chłodzenia izotermicznego w wyniku, którego otrzymuje się
drobnopłytkowy perlit, który jest szczególnie podatny na
ciągnienie,
•
oraz przeciągania na zimno.
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
Stale maszynowe
Niestopowe maszynowe należące do grupy stali jakościowych
E295÷
÷E360 (razem ze stalami konstrukcyjnymi PN-EN 10025–1:2007).
Niestopowe na rury precyzyjne ciągnione na zimno (PN-EN 102961:2006). Przeznaczone do ogólnego stosowania i na elementy maszyn.
Oznaczane E155÷
÷E420 o Rm = 270¸420 MPa i wydłużeniu (A) odpowiednio równym 28÷
÷12 %.
Automatowe (PN-EN10087:2000) należą do grupy stali niestopowych
jakościowych i są klasyfikowane na podstawie składu chemicznego.
Charakteryzują się podwyższoną zawartością siarki ok. 0,1% i/lub ołowiu do 0,37%. Oznaczane np. 11SMn30, 36SMnPb14, dostarczane
w postaci prętów i przeznaczone do obróbki skrawaniem.
Wymagania stawiane tym stalom to przede wszystkim dobra skrawalność, czyli krótki łamliwy wiór, nieprzyleganie wióra do narzędzia oraz,
zmniejszenie tarcia w trakcie obróbki. Uzyskiwane jest to przez dodanie
do stali automatowych S i/lub Pb. Siarczki manganu w strukturze stali
dają krótkie wióry oraz zmniejszenie tworzenia się narostu na powierzchni natarcia ostrza skrawającego, natomiast drobne wydzielenia
ołowiu, topiąc się w trakcie obróbki zmniejszają tarcie wióra o nóż.
Stale automatowe dzielimy na:
•
nie przeznaczone do obróbki cieplnej,
•
do nawęglania,
•
do ulepszania cieplnego.
Przeznaczone są na niezbyt mocno obciążone elementy (śruby, sworznie,
obudowy świec, części napędu samochodowego) o złożonych kształtach,
wytwarzane przy zastosowaniu obróbki skrawaniem na szybkobieżnych
obrabiarkach i automatach.
Do ulepszania cieplnego (PN-EN 10083:2006).
Niestopowe do hartowania powierzchniowego oraz ulepszania cieplnego
(C22÷C60). Przeznaczone na średnio obciążone elementy maszyn w stanie ulepszonym cieplnie, stosowane w przemyśle maszynowym i samochodowym (wały, wrzeciona, koła zębate, itp.)
Strona 169
ROZDZIAŁ 10
Stopowe do ulepszania cieplnego (np. 36CrNiMo4). Stosowane na elementy konstrukcji i maszyn podlegające dużym obciążeniom (wały, korbowody, koła zębate, sworznie, drążki itp.)
Kryteria doboru tych stali to hartowność, wytrzymałość i ciągliwość.
Stale do ulepszania cieplnego charakteryzują się:
•
wysoką wytrzymałością (Rm i Re),
•
wysoką ciągliwością – duża udarność i plastyczność (A, Z,
K),
•
dobrą hartownością,
•
niejednokrotnie dobrą skrawalnością.
W wyniku stosowania obróbki cieplnej: hartowania i odpuszczania,
uzyskiwane są optymalne wartości wytrzymałości i ciągliwości.
W stalach stopowych średnia zawartość węgla 0,25÷0,5% zapewnia wysoką ciągliwość, a stosowane dodatki stopowe (głównie Cr, Mo, Ni )
poprawiają hartowność.
Stale niestopowe do ulepszania cieplnego po hartowaniu i wysokim
odpuszczaniu oraz normalizowaniu uzyskują wytrzymałość
Rm = 410÷670 MPa przy wydłużeniu (A) odpowiednio od 25÷11%,
a stale stopowe po hartowaniu i wysokim odpuszczaniu uzyskują
Rm = 700÷1100 MPa przy wydłużeniu (A) odpowiednio od 15÷10%.
Niestopowe (C10) i stopowe (18CrMo4) stale do nawęglania
(PN-EN 10084:2002).
Obróbka cieplno – chemiczna pozwala na uzyskanie właściwości, których nie można uzyskać metodami konwencjonalnymi. Do nawęglania
stosuje się stale niskowęglowe, które po obróbce cieplno – chemicznej
poddawane są hartowaniu objętościowemu i niskiemu odpuszczaniu.
W stalach stopowych podstawowym dodatkiem stopowym jest Cr oraz
Mn i Ni, które zwiększają hartowność i poprawiają właściwości wytrzymałościowe rdzenia oraz zmniejszają naprężenia hartownicze w warstwie wierzchniej. Obróbka cieplno chemiczna prowadzi do uzyskania:
Strona 170
•
twardej, odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej o zawartości węgla od 0,85÷1,1% C,
•
ciągliwego rdzenia o odpowiedniej wytrzymałości i zawartości węgla < 0,25% C (martenzyt jeszcze ciągliwy).
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
Zastosowanie: elementy maszyn z wymaganą warstwą wierzchnią o wysokiej twardości i ciągliwym rdzeniu: sworznie, rolki, tuleje, wałki itp.
Stale stosowane na narzędzia
Stale stosowane na narzędzia dzielimy na:
•
stale niestopowe i stopowe do pracy na zimno, w temperaturach do ok. 200 °C – (tabela 10.13),
•
stale stopowe do pracy na gorąco, w temperaturach od
200°C do ok. 600°C – (tabela 10.14),
•
stale szybkotnące – (tabela 10.15).
Zależnie od warunków pracy, od stali narzędziowych wymagana jest:
•
wysoka twardość i odporność na ścieranie,
•
odpowiednia wytrzymałość i ciągliwość,
•
odporność na odpuszczające działanie ciepła,
•
twardość i wytrzymałość w podwyższonych temperaturach,
•
odporność na zmęczenie termiczne.
W celu uzyskania wymaganych właściwości wszystkie gatunki stali do
produkcji narzędzi poddawane są obróbce cieplnej hartowania i odpuszczania.
Twardość stali zahartowanej zależy przede wszystkim od zawartości
węgla. Pierwiastki stopowe nie zwiększają twardości w sposób istotny,
ale głównie zwiększają hartowność i tworzą twarde węgliki odporne na
ścieranie.
Strona 171
ROZDZIAŁ 10
Tabela 10.13. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości i zastosowanie
przykładowych stopowych stali narzędziowych do pracy na zimno
wg PN-EN ISO 4957:2004
PN-EN ISO
4957:2004
Nr mat.
PN
X210Cr12
1.2080
X153CrVMo12
X100CrMoV5
Zastosowanie
Średni skład chemiczny w % wag.
C
Si
Cr
Mo
V
Mn
NC11
2,05
0,35
12
–
–
0.4
1.2379
NC11LV
1,53
0,35
12
0,85
0,85
0.4
1.2363
NCLV
1,00
0,25
5,20
1,05
0,25
0,6
Stale narzędziowe stopowe są stosowane na narzędzia do pracy
w temperaturach niższych od 200 °C.
Gilotyny do cięcia cienkich materiałów, wykrojniki i stemple, narzędzia pomiarowe, narzędzia do wytłaczania metali i walcowania
gwintu na zimno, frezy i noże do strugarek do wysokowydajnej
obróbki drewna itp.
Tabela 10.13. cd
PN-EN ISO
4957:2004
Nr mat.
PN
60WCrV8
1.2550
90MnCrV8
1.2842
Zastosowanie
Właściwości
stali
narzędziowych
do pracy na
zimno
Strona 172
Średni skład chemiczny w % wag.
C
Mn
Cr
Si
V
W
NZ3
0,60
0,3
1,11
0,85
0,15
2,00
NMV
0,90
2,0
0,4
0,25
0,13
–
Stale na narzędzia pneumatyczne, noże maszynowe, stemple do
bicia monet. Charakteryzują się dużą hartownością, odpornością na ścieranie, twardością i wysoka udarnością.
Stale te poddawane są obróbce cieplnej hartowania i niskotemperaturowego odpuszczania i uzyskują twardości od 50 do 62 HRC.
Narzędzia narażone na działanie obciążeń dynamicznych, w celu
zwiększenia ciągliwości, poddawane są odpuszczaniu w temperaturze 250 – 450oC. Stale narzędziowe wykazują dużą twardość
i odporność na ścieranie. Stale niskowęglowe przeznaczone są do
nawęglania i uzyskują dzięki obróbce cieplno – chemicznej twardą warstwę wierzchnią oraz miękki rdzeń.
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
Tabela 10.14. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości i zastosowanie
przykładowych stopowych stali narzędziowych do pracy na gorąco,
wg PN-EN ISO 4957:2004
PN-EN ISO
4957:2004
X38CrMoV5–3
X30WCrV9–3
X35CrWMoV5
Zastosowanie
Właściwości
Średni skład chemiczny w % wag.
C
Mn
Si
Cr
Mo
V
W
1.2387
0,38 0,4
0,4
5,0
3,0
0,5
–
1.2581
0,3
0,3 0,25 2,8
–
0,4
9,0
1.2605
0,35 0,35 1,0
5,1
1,4 0,35
1.4
Stale stosowane na narzędzia do pracy w temperaturach od 250
do 700oC. Narzędzia kuźnicze, narzędzia do cięcia na gorąco,
formy odlewnicze do odlewania ciśnieniowego itp.
Nr mat.
Stale poddawane są obróbce cieplnej hartowania i niskotemperaturowego odpuszczania. Uzyskują twardości od 46 do
56 HRC. Stale te wykazują dużą twardość i odporność na
ścieranie w wysokiej temperaturze pracy.
Przykładowy skład chemiczny stali szybkotnących podano w tabeli
10.15. Stale szybkotnące są definiowane jako stale zwierające więcej niż
0,6% węgla, ok. 4% Cr oraz co najmniej dwa spośród dodatkowych
składników stopowych, takich jak Mo, W, V o łącznym stężeniu większym niż 7%. Zapewnia to tym stalom dobrą hartowność oraz efekt twardości wtórnej. W stalach szybkotnących w temperaturze pracy ok. 600°C
Fe3C ulega rozpuszczeniu, a uwolniony węgiel tworzy z silnie węglikotwórczymi pierwiastkami (Mo, W i V) węgliki Mo2C, W2C i VC, co
powoduje uzyskanie twardości większej niż po hartowaniu i odpuszczaniu.
Tabela 10.15. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości i zastosowanie
przykładowych stali szybkotnących wg PN-EN ISO 4957:2004
Średnie stężenie wag pierwiastków w %
C
Cr
Mo
V
W
Co
1.3355
SW18
0,78
4,2
–
1,10
18,0 –
HS18-0-1
1.3247
SK8M
1,10
3,9
9,2
1,20
1,40 8,00
HS2-9-1-8
1.3343
SW7M 0,90
4,1
5,00 1,80
6,40 HS6-5-2
1.3243
SK5M
0,92
4,1
5,00 1,90
6,40 4,80
HS6-5-2-5
Stale szybkotnące stosowane są na narzędzia skrawające,
narzędzia wykrojnikowe oraz na narzędzia do obróbki
Zastosowanie
plastycznej na zimno i gorąco.
Stale szybkotnące poddawane są obróbce cieplnej hartowania
i odpuszczania w temperaturze 560oC i uzyskują twardość od
Właściwości
60 do 66 HRC. Stale te wykazują dużą twardość i odporność
na ścieranie w temperaturze do 600oC.
PN-EN ISO
4957:2004
Nr mat.
PN
Strona 173
ROZDZIAŁ 10
Stale odporne na korozję i żaroodporne
Stale odporne na korozję (PN-EN 10088:2007).
Stal odporna na korozję zawiera minimum 10,5 % chromu, oraz inne
składniki stopowe. Jej naturalną cechą jest odporność na korozję, uzyskiwaną dzięki reakcji chromu z tlenem, w wyniku, której na powierzchni
tworzy się bardzo cienka, szczelna i doskonale związana z podłożem
warstewka tlenku, zabezpieczająca przed penetracją tlenu w głąb materiału. W przypadku uszkodzenia mechanicznego warstwa ochronna odtwarza się samoistnie. Odporność na korozję stali nierdzewnej i jej właściwości fizyczne mogą być wzmocnione poprzez dodanie innych składników stopowych, takich jak nikiel, molibden, tytan, niob, mangan, azot,
miedź, krzem, glin i wanad. Węgiel występuje zwykle w ilości poniżej
0,08%; tylko w stalach o strukturze martenzytycznej jego zawartość
osiąga 1,0%.
Istnieje ponad sto gatunków stali odpornych na korozję sklasyfikowanych w pięciu grupach:
Strona 174
•
Martenzytyczna – o zawartości C < 1,0%, Cr = 12,5 ÷17%.
Charakteryzująca się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi Rm = ok. 1100 MPa. Używana głównie na silnie
obciążone części maszyn, które muszą być odporne na korozję, np. łopatki turbin parowych, wały, śruby, sprężyny,
trzpienie, wrzeciona, narzędzia chirurgiczne, a także przedmioty gospodarstwa domowego.
•
Ferrytyczna – o zawartości C < 0,08%, Cr = 11,5÷29%.
Stale te charakteryzują się dużą ciągliwością, nadają się do
tłoczenia na zimno. Są stosowane na naczynia kuchenne,
elementy aparatury chemicznej, elementy karoserii samochodowej.
•
Austenityczna – chromowo – niklowa o niskiej zawartości
węgla C < 0,1%. Najczęściej stosowany skład: 18% Cr
i 10% Ni. W związku z deficytem niklu stosuje się stale
chromowo – niklowo – manganowe również o strukturze austenitycznej. Stale austenityczne charakteryzują się najwyższymi wskaźnikami odporności na korozję atmosferyczną,
w wodzie morskiej, roztworach alkalicznych, w produktach
żywnościowych oraz w środowisku wielu kwasów (stąd nazwa kwasoodporne). Są używane na przedmioty gospodar-
PRZEMYSŁOWE STOPY ŻELAZA
stwa domowego, aparaturę w przemyśle spożywczym, instalacje w przemyśle chemicznym, rafineryjnym, petrochemicznym. Austenityczna stal nierdzewna stanowi 70% światowej produkcji stali nierdzewnych.
•
Umacniana wydzieleniowo – o zawartości
C = 0,015÷0,09%, Cr = 12¸17%, Ni=4¸25,5% oraz Mn, Nb,
Al, Ti, V, B. Umacnianiu wydzieleniowemu podlegają stale:
martenzytyczne, w których podczas odpuszczania z martenzytu wydzielają się węgliki i fazy międzymetaliczne, austenityczne poddawane przesycaniu i starzeniu, w wyniku
którego w austenicie wydzielają się fazy międzymetaliczne.
Umocnienie wydzieleniowe nadaje tym stalom wysokie
właściwości wytrzymałościowe do Rm=1400 MPa. Stosowane są między innymi na sprężyny charakteryzujące się
wysoka wytrzymałością mechaniczną i zmęczeniową pracujące w temperaturze do 300°C, elementy armatur, zawory
pracujące w warunkach korozyjnych.
•
Ferrytyczno – austenityczne o zawartości C ≤ 0,03%,
Cr = 18,5÷29%, Ni = 4,5÷7%, N = 0,13÷0,35%,
Mo = 0,35¸3,8%. Są to stale o zwiększonej zawartości Cr
i innych pierwiastków ferrytotwórczych w stosunku do ograniczonej zawartości niklu. Mają strukturę dwufazową (α+γ)
typu „dupleks”. Cechują się szczególnie dobrą odpornością
na korozję naprężeniową oraz wyższymi właściwościami
wytrzymałościowymi w stosunku do stali austenitycznych.
Przykładowe oznakowanie stali odpornych na korozję:
X5CrNi18-10, 1.4301.
Stale żaroodporne i żarowytrzymałe
Żaroodporność – odporność materiału na korozję gazową (powietrze,
spaliny) w temperaturach wyższch niż 600 ºC. Żaroodporność jest ściśle
związana ze skłonnością stopu do tworzenia szczelnej i dobrze przylegające warstwy produktów korozji na powierzchni stopu. Pierwiastkami
wpływającymi korzystnie na żaroodporność stali są chrom, nikiel,
aluminium i krzem. Tworzą one warstewkę tlenków Cr2O, Al2O3 i SiO2,
która hamuje dyfuzję atomów z agresywnego środowiska i jonów metalu
w przeciwnym kierunku.
Strona 175
ROZDZIAŁ 10
Stale żaroodporne są stalami niskowęglowymi C ≤ 0,25 i mogą podlegać
łączeniu przez spawanie. Ze względu na strukturę wyróżniane są dwie
grupy:
•
Stale chromowe o strukturze ferrytycznej zawierające
Cr = 7÷27,5%, Si = 0,75÷1.0%, Mn ≤ 1% oraz niejednokrotnie Al ≤ 2%. Stosowane na wyroby nieobciążone w temperaturze od 600÷1150°C (kołpaki pieców, obudowy pirometrów
itp.).
•
Stale chromowo – niklowe o strukturze austenitycznej zawierające Cr = 16÷25%, Ni = 7÷35%, Si = 0,3÷2,0%,
Mn ≤ 2% oraz niejednokrotnie: Ti, Co, Al, Nb. Stale te stosowane są w stanie przesyconym na elementy obciążone mechanicznie w temperaturach pracy od 850÷1150 °C.
Żarowytrzymałość – odporność stopu na odkształcenia, z czym wiąże
się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w temperaturze wyższej niż 600 ºC.
Żarowytrzymałość uzyskuje się poprzez wysokie zawartości dodatków
stopowych w stali: chromu 5÷30%, niklu 4÷30% oraz molibdenu
0,5÷1,0%, a także wolframu do 2%. Wysoka zawartość Cr i Ni pozwala
uzyskać strukturę austenityczną w normalnych warunkach. Molibden,
wolfram, wanad, kobalt, chrom, tytan i krzem, podwyższają temperaturę
topnienia i rekrystalizacji. Żarowytrzymałość zwiększana jest również
poprzez zgniot i utwardzenie wydzieleniowe. Górna granica żaroodporności wynosi 800°C do 1200 °C, w zależności od składu stali.
Ze stali żaroodpornych i żarowytrzymałych wykonuje się elementy pieców, kotłów parowych, wentylatory do gorących gazów, skrzynki do
nawęglania, komory spalania turbin gazowych oraz zawory tłokowych
silników spalinowych.
Strona 176
`
11
Stopy metali
nieżelaznych
W tym rozdziale:
o
o
Aluminium i jego stopy
Miedź i jej stopy
ROZDZIAŁ 11
11.1. Aluminium i jego stopy
Aluminium jest metalem o niskiej gęstości 2,7 Mg/m3 (prawie trzy razy
mniejsza niż żelaza), co kwalifikuje go do grupy metali lekkich. Krystalizuje w sieci RSC i cechuje się dużą plastycznością. Niezwykle szybki
rozwój stopów aluminium nastąpił w latach dwudziestych XX wieku.
Podstawowe znaczenie miało zapotrzebowanie rozwijającego się przemysłu lotniczego. Obecnie aluminium należy do metali o bardzo dużym
znaczeniu. Czyste aluminium otrzymuje się w 17 gatunkach o czystości
od 99,0÷99,99%.
Aluminium silnie utwardza się przez zgniotn na zimni, dlatego przerabia
się go plastycznie – walcuje (blachy, folie) lub wyciska (pręty, rury,
druty, kształtowniki). Obróbkę plastyczną można przeprowadzać na
zimno lub na gorąco. Właściwości mechaniczne aluminium
wyżarzonego i w postaci zgniecionej podano w tabeli 11.1.
Tabela 11.1. Właściwości mechaniczne aluminium
Twardość
Wytrzymałość na
rozciąganie
Granica
plastyczności
Wydłużenie
Moduł sprężystości
Aluminium w stanie
wyżarzonym
Aluminium w stanie
zgniecionym
(60-80%)
15 – 30 HBW
40-60 HBW
Rm =70÷120 [MPa]
Rm = 140÷230 [MPa]
Re = 20÷40 [MPa]
Re = 120÷180 [MPa]
A10 = 35÷ 45 [%]
A10 = 1,3÷ 3 [%]
E = 69000 [MPa]
Właściwości wytrzymałościowe aluminium są stosunkowe niskie, dlatego w postaci czystej nie znajduje zastosowania jako materiał konstrukcyjny. Natomiast inne jego cechy jak: dobre przewodnictwo cieplne
i elektryczne, odporność na korozję atmosferyczną (aluminium na powierzchni pokrywa się warstwą Al2O3, która chroni go przed dalszym
utlenianiem) spowodowały szerokie zastosowanie aluminium na: elementy aparatury chemicznej, urządzeń przemysłu spożywczego, folii
kondensatorowych, przewody elektryczne zwłaszcza wysokiego napięcia, oraz na wyroby codziennego użytku jak, sztućce, naczynia itp.
Strona 178
STOPY METALI NIEŻELAZNYCH
Ważną cechą aluminium jest jego odporność korozyjna. Należy jednak
podkreślić, że Al będąc odporne na działanie wody, H2CO3, H2S, wielu
kwasów organicznych, związków azotowych, nie jest odporne na działanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH), kwasów beztlenowych (HF,
HCl), wody morskiej i jonów rtęci.) Dla zwiększenia odporności
korozyjnej aluminium i jego stopy poddaje się anodowemu utlenianiu,
które połączone jest często z barwieniem powierzchni metalu na różne
kolory.
Stopy aluminium
Aby wykorzystać cechy fizyczne aluminium, a jednocześnie podnieść
jego właściwości wytrzymałościowe sporządza się na jego podstawie
stopy posiadające kilkakrotne większe właściwości wytrzymałościowe
niż czyste aluminium. Do podstawowych metod umacniania stopów
aluminium zaliczamy:
•
umacnianie roztworowe,
•
umacnianie wydzieleniowe,
•
umacnianie odkształceniowe.
Wymienione metody powodują utrudnienia w ruchu dyslokacji, a tym
samym wzrost naprężeń niezbędnych do uruchomienia poślizgu dyslokacji, co z kolei wiąże się ze zwiększeniem granicy plastyczności umocnionego stopu.
Do najczęściej stosowanych dodatków stopowych należą: Cu, Si, Mg,
Mn i Zn. Pierwiastki te tworzą roztwory stałe ograniczone, a niektóre
z nich również fazy międzymetaliczne, np.: Al2Cu, Mg2Si, które umożliwiają przeprowadzenie skutecznego umocnienia wydzieleniowego.
Klasyfikację stopów aluminium można przeprowadzić ze względu na:
•
rodzaj składnika stopowego na stopy: Al – Cu, Al – Mn,
Al – Si, Al – Mg, Al – Zn oraz Al – Ni,
•
podatność na umocnienie wydzieleniowe: na stopy umacnianie wydzieleniowo i na stopy nie umacniane wydzieleniowo,
•
sposób wytwarzania: na stopy odlewnicze (PN-EN
1706:2001) i do obróbki plastycznej (PN-EN 573-3:2007).
Ostatni z podziałów jest uwzględniony w normach europejskich dotyczących stopów aluminium i jest uznany za podstawową klasyfikację. NieStrona 179
ROZDZIAŁ 11
które ze stopów nadają się zarówno do odlewania jak i obróbki plastycznej.
Stopy do obróbki plastycznej zawierają zwykle do ok. 5% pierwiastków
stopowych, najczęściej Cu, Mg, Mn, rzadziej Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub Li
(rysunek 11.1). Niektóre z tych stopów są stosowane w stanie zgniecionym lub po wyżarzaniu rekrystalizującym, a część jest poddawana
umocnieniu wydzielającemu w wyniku przesycania i starzenia.
Do odlewniczych stopów zaliczamy stopy dwu lub wieloskładnikowe
o dużej zawartości pierwiastków stopowych (5% – 25%) głównie Si, Cu,
Mg, Zn, Ni. Charakteryzują się dobrą lejnością i często małym skurczem
odlewniczym. W stanie lanym można także stosować stopy zawierające
mniej niż 5% pierwiastków stopowych.
Rysunek 11.1. Fragment typowego układu równowagi fazowej stopów Al
z zakresami stężenia pierwiastków stopowych dla stopów aluminium:
odlewniczych i do obróbki plastycznej wg [11]
Strona 180
STOPY METALI NIEŻELAZNYCH
Tabela 11.2. Oznaczenie przerabianych plastycznie gatunków aluminium
i stopów aluminium wg PN-EN 573-1:2006 i PN-EN 573-2:1997
Oznaczenie przerabianych plastycznie gatunków aluminium i stopów aluminium
Oznaczenie numeryczne składa się z symbolu określającego produkt i czterech
cyfr
EN AW XXXX
Gatunki aluminium
EN AW
X
X
XX
AW aluminium lub
Czystość aluminium
1 – Aluminium o
stop aluminium
Wersja
w setnych częściach
czystości równej i
stopu
przerobiony
procenta (powyżej
większej ok. 99%
plastycznie
99%)
Przykład:
EN AW 1199 – aluminium o czystości 99,99 %
Stopy aluminium
EN AW
X
X
XX
Stop
Określa główny składnik stopu
Wersja
Numer
stopu
stopu
aluminium
2 – Miedź (Cu)
przerobiony
3 – Mangan (Mg)
plastycznie
4 – Krzem (Si)
5 – Magnez (Mg)
6 – Magnez i krzem (Mg i Si)
7 – Cynk (Zn)
8 – Inne (Fe, Li)
9 – obecnie niewykorzystywana)
Przykład:
EN AW – 2014 stop serii 2000
EN AW – 5052 stop serii 5000
Oznaczenie stopów aluminium wg składu chemicznego:
EN AW–Al[………..]
EN AW
[………….]
AW stop aluminium przerobiony
Symbole dodatków stopowych i ich
plastycznie
zawartości
Przykładowo
EN AW–Al Cu4SiMg niejednokrotnie podawane w nawiasie,
jako uzupełnienie oznaczenia numerycznego EN AW–
2214 [AlCu4SiMg]
Strona 181
ROZDZIAŁ 11
Tabela 11.3. Oznaczenie odlewniczych stopów aluminium
wg PN-EN 1780-1(2):2004
Oznaczenie odlewniczych stopów aluminium
Oznaczenie numeryczne: EN A[…]– XXXXX
EN AC
X
X
EN AB
C – odlewy
Główny składnik
Grupa stopu
B – gąska
stopu
1 AlSiMgTi
do przetopu
2 – Miedź (Cu)
2 AlSi7Mg
4 – Krzem (Si)
3 AlSi10Mg
5 – Magnez (Mg)
4 AlSi
7 – Cynk (Zn)
5 AlSi5Cu
6 AlSi9Cu
7 AlSi(Cu)
8 AlSiCuNiMg
X
wersja
stopu
00
Cyfra inna, iż
zero w stopach
dla lotnictwa
i kosmonautyki
EN AB – 45400
EN AC – 56600
Oznaczenie wg składu chemicznego EN A[…]–Al [……….] [(..)]
EN A […]
Al [……..]
[(..)]
[C, B,M]
C – odlewy
Symbole pierwiastków stopowych i ich
Symbole głównych
B – gąska
zawartość
zanieczyszczeń Grupa
do przetopu
np. AlSi11, AlSi7Cu2
stopu
M – stop
np. AlSi11Cu2(Fe)
wstępny
Przykład:
Przykład:
EN AC–Al Si11Cu2(Fe)
EN AC–Al Si11
Odlewnicze stopy aluminium
Obecnie wytwarza się wiele aluminiowych stopów odlewniczych. Do
najważniejszych należą stopy Al – Si, Al – Mg, Al – Cu.
Stopy aluminium – krzem nazywane siluminami są najpowszechniej
stosowane do wytworzenia odlewów kształtowych z uwagi na ich dobre
właściwości technologiczne takie jak lejność, zdolność wypełnienia
formy, niską gęstość oraz dobre, dające się kontrolować, właściwości
mechaniczne.
Aluminium z krzemem tworzy prosty układ z eutektyką, występującą
przy stężeniu 12,6% Si oraz dwoma granicznymi roztworami stałymi
(α – Si w Al i β – Al w Si) o rozpuszczalności składników zmniejszającej
się wraz z obniżeniem temperatury, przy czym aluminium w temperaturze eutektycznej rozpuszcza się w Si w bardzo niewielkim stężeniu
(0,07%), a w temperaturze pokojowej nie wykazuje niemal zupełnie
rozpuszczalności w Si.
Strona 182
STOPY METALI NIEŻELAZNYCH
Stopy aluminium–krzem dzielimy na:
•
podeutektyczne, zawierające do 4%÷11% Si,
•
eutektyczne, zawierające 11%÷13% Si
•
nadeutektyczne posiadające ponad 13%÷30% Si.
W celu optymalizacji właściwości użytkowych i mechanicznych odlewu
dodawane są pojedynczo lub w rożnych kombinacjach inne pierwiastki
stopowe takie jak:
•
Cu, Mg – umożliwiające utwardzenie wydzieleniowe
i zwiększające wytrzymałość,
•
Mn – zwiększający wytrzymałość i przeciwdziałający ujemnemu wpływowi żelaza,
•
Ni (do 1%) – polepszający odporność na korozję,
•
Ti – wpływający na zmniejszenie wielkości ziaren.
W zależności od zawartości krzemu w stopie i warunków krzepnięcia,
mikrostruktura odlewu jest zbudowana z mieszaniny ziaren roztworu
stałego α (Si w Al) kryształów krzemu pierwotnego i eutektyki α + Si,
jak również różnych wydzieleń faz związków międzymetalicznych
utworzonych z aluminium i dodatków stopowych np. CuAl2 czy Mg2Si.
Wadą siluminów jest nietypowa dla stopów eutektycznych gruboiglasta
eutektyka, a w siluminach nadeutektycznych duże iglaste wydzielenia
krzemu pierwotnego.
Konsekwencją tego jest drastyczny spadek plastyczności stopu.
Rozdrobnienie struktury oraz zmianę kształtu wydzieleń uzyskuje się poprzez modyfikację stopu przed jego odlaniem. Stopy eutektyczne modyfikuje się sodem (także Sr lub niekiedy Sb), którego związki ułatwiają
zarodkowanie oraz tworząc „błonkę” utrudniają wzrost kryształów Si,
oraz przesuwają punkt eutektyczny w kierunku wyższych zawartości Si
i stop staje się stopem podeutektycznym o strukturze kryształów α na tle
drobnoziarnistej eutektyki (α + Si). Natomiast do stopów nadeutektycznych dodaje się związki fosforu, które powodują rozdrobnienie i zmianę
kształtu wydzieleń krzemu pierwotnego (drobne i bardziej równoosiowe).
Strona 183
ROZDZIAŁ 11
Zastosowanie siluminów:
•
siluminy eutektyczne i nadeutektyczne, zwłaszcza z dodatkiem niklu, wykazujące wysoką żarowytrzymałość są stosowane na wysokoobciążone tłoki silników spalinowych,
•
siluminy podeutektyczne stosowane są na silnie obciążone
części dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracującego w podwyższonej temperaturze i w wodzie morskiej,
•
wieloskładnikowe stopy Al z Si są stosowane m.in. na głowice silników spalinowych alufelgi oraz inne odlewy stosowane w przemyśle samochodowym.
Obok siluminów w grupie odlewniczych stopów Al znajdują się:
•
Najczęściej stosowane po siluminach, stopy Al – Mg zawierające do 10% Mg. Podlegają umocnieniu wydzieleniowemu
dzięki wydzieleniom fazy Mg2Si. Swoją popularność zawdzięczają odporności na korozję oraz najmniejszej gęstości. Stosowane na elementy aparatury chemicznej, oraz elementy silnie obciążone i narażone na uderzenia.
•
Stopy Al – Cu zawierające do 5% Cu, które podlegają obróbce cieplnej powodującej znaczący wzrost ich właściwości
wytrzymałościowych, stosowane są na bardzo obciążone
elementy maszyn. Między innymi w przemyśle motoryzacyjnym i lotniczym.
Stopy aluminium do obróbki plastycznej
Stopy do obróbki plastycznej to przede wszystkim stopy z magnezem,
manganem, miedzią, cynkiem oraz dodatkiem innych pierwiastków.
W zależności od potrzeb stopy te przerabia się plastycznie na zimno lub
gorąco przez:
Strona 184
•
walcowanie na zimno oraz na gorąco do wytwarzania: płyt,
blach, taśm, folii,
•
ciągnienie na gorąco oraz na zimno do wytwarzania: drutów,
prętów, rur, kształtowników,
•
wyciskanie i kucie na gorąco do otrzymywania kształtek.
STOPY METALI NIEŻELAZNYCH
Stopy te dzieli się na 2 grupy:
•
utwardzone wydzieleniowo,
•
nieutwardzone wydzieleniowo.
Gatunkami stopów aluminium, które ze względu na nieznaczną rozpuszczalność składnika stopowego w aluminium, nie podlegają umocnieniu
wydzieleniowemu, są stopy aluminium serii 3000 z manganem
(Al – Mn). Można też do nich zaliczyć stopy serii 5000 z magnezem
(Al – Mg i Al – Mg – Mn), w których efekt umocnienia wydzieleniowego
jest nieznaczny.
Stopy z Mg do obróbki plastycznej zawierają do 5,6 % Mg i są stopami
dwufazowymi o strukturze granicznego roztworu stałego α (Mg w Al),
ze zmniejszającą się rozpuszczalnością Mg wraz z obniżeniem temperatury) oraz wydzieleniami fazy β.
Podlegają umacnianiu przez roztwór, które jest wyjątkowo skuteczne,
szczególnie w przypadku znacznego przesycenia atomami Mg, co przedstawiono w tabeli 11.4. Umożliwia to zarówno duża różnica promieni
atomowych Mg i Al jak i znaczne zmniejszenie rozpuszczalności Mg
w Al wraz z obniżeniem temperatury.
Tabela 11.4. Granica plastyczności stopów serii 5000 (A l– Mg) wg [13]
Stop
Mg [% wag.]
Re [MPa]
EN AW– 5005
0,8
40
EN AW– 5050
1,5
55
EN AW– 5052
2,5
90 (przesycony)
EN AW– 5454
2,7
120 (przesycony)
EN AW– 5083
4,5
145 (przesycony)
EN AW– 5456
5,1
160 (przesycony)
Strona 185
ROZDZIAŁ 11
Tabela 11.5. Granica plastyczności stopów Al w stanie wyżarzonym i po
obróbce plastycznej na zimno wg [13]
Stop
Re [MPa]
w stanie
wyżarzonym
Re [MPa]
w stanie
„półtwardym”
Re [MPa]
w stanie
„twardym”
EN AW– 1100
35
115
145
EN AW– 3005
65
140
185
EN AW– 5456
140
300
370
Dodatkowe umocnienie zapewnia zgniot wywołany obróbką plastyczną
na zimno. Efekt obróbki plastycznej stopów Al przedstawia tabela 11.5.
Stopy aluminium z magnezem charakteryzują się:
•
podwyższonymi właściwościami wytrzymałościowymi,
•
odpornością na korozję,
•
dobrą spawalnością,
•
podatnością na głębokie tłoczenie.
Przykładem stopu tej serii jest: AlMg4,5Mn (hydronalium). Odporny na
korozję, spawalny. Dostarczany w postaci blach, rur, prętów, drutów
i kształtowników. Pręt ciągniony w stanie twardym cechuje
Rm = 300 MPa, A = 9%. Stosowany na średnio obciążone elementy konstrukcji okrętowych, nadbudówki statków, urządzenia przemysłu chemicznego.
Stopy podwójne Al – Mn stosuje się na różnego rodzaju wsporniki, obudowy, do wyrobu ram okiennych, drzwiowych i w stolarce otworowej.
W stopach Al – Mn – Mg można uzyskać Rm na poziomie 280 MPa, przy
wydłużeniu A = 8%. Powszechnym zastosowaniem tych stopów są
popularne puszki do różnego rodzaju napojów, w których grubość ścianki bocznej wynosi 0,3 mm.
Niektóre stopy Al obok umacniania przez zgniot, mogą podlegać umacnianiu wydzieleniowemu, polegającemu na wytworzeniu w stopie dyspersyjnych wydzieleń, blokujących przemieszczanie się dyslokacji. Polepszenie właściwości wytrzymałościowych tych stopów uzyskuje się
przez obróbkę cieplną złożoną z przesycania i starzenia, która została
przedstawiona w rozdziale 8. Do stopów, w których możliwy jest ten
rodzaj umocnienia zalicza się stopy typu Al – Cu, Al – Cu – Mg,
Strona 186
STOPY METALI NIEŻELAZNYCH
Al – Mg – Si, Al – Zn – Mg, Al – Zn – Mg – Cu o strukturze złożonej
z roztworu α na bazie aluminium i faz międzymetalicznych.
Typowym przykładem umacniania wydzieleniowego stopów metali jest
proces wydzielania w stopach Al – Cu. Maksymalna rozpuszczalność Cu
w Al w temperaturze 548°C wynosi 5,7% i gwałtownie spada wraz z obniżaniem temperatury do wartości 0,1% w temperaturze pokojowej. Daje
to możliwości zwiększenia wytrzymałości tych stopów przez umocnienie
wydzieleniowe, które składa się z następujących etapów:
•
nagrzanie stopu do temperatury 500÷580°C (powyżej granicznej rozpuszczalności Cu w Al) wygrzaniu w tej temperaturze w celu rozpuszczenia miedzi w aluminium.
•
przesycenie roztworu stałego α (Cu w Al) przez szybkie
chłodzenie z temperatury ok. 500÷580 °C ,
•
starzenie przesyconej fazy α w celu wydzielenia fazy międzymetalicznej o dużym stopniu dyspersji, które zachodzi
w wyniku starzenia naturalnego w temperaturze pokojowej
(kilka dni) lub starzenia sztucznego w wyniku wygrzewania
w temperaturze od 100÷180°C.
Przemiana przesyconego roztworu α w równowagową mieszaninę nasyconego roztworu α i fazę CuAl2 ze względu na małą ruchliwość atomów
zachodzi w czterech etapach.
Największe znaczenie praktyczne mają stopy Al – Cu – Mg, znane pod
nazwą durali (2÷5% Cu i poniżej 2% Mg). Dodatkowo wytrzymałość
tych stopów można zwiększyć przez zastosowanie obróbki plastycznej
(gniot 3÷5%) stosowanej po starzeniu naturalnym.
Stopy te charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi, małą żaroodpornością i odpornością na korozję i stosowane są na
mocno obciążone elementy konstrukcji, w tym również samolotów
i pojazdów (np. AlCu4Mg1).
Strona 187
ROZDZIAŁ 11
Tabela 11.6. Przykłady stopów wieloskładnikowych Al – Cu do obróbki
plastycznej (wyroby wyciskane) wg PN EN 573-3:2007
Znak stopu
EN AW:
Minimalne właściwości
Stan stopu
Rp0,2
[MPa]
Rm
[MPa]
A5
[%]
AlCu4MgSi
270
400
10
Przesycanie, starzenie
naturalne
AlCu4Mg1
310
450
8
Przesycanie, zgniot,
starzenie naturalne
AlCu4SiMn
420
465
7
Przesycanie, starzenie
sztuczne
Wieloskładnikowe stopy Al – Cu zawierają oprócz Mg, Si i Mn również
Fe, Ti, Zr, lub Ni. Charakteryzują się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi (tabela 11.5) oraz wysoką żaroodpornością i dobrą odpornością na korozję. Stosowane są na elementy konstrukcji pracujące
w temperaturze ok. 350°C. Właściwości ich są jednak niższe od durali
i nie należy ich stosować na elementy konstrukcji pracujące wyłącznie
w temperaturze pokojowej.
Innymi stopami umacnianymi wydzieleniowo są stopy z układu Al – Si –
Mg oraz Al – Zn – Mg. Szczególnie ten ostatni odznacza się wyjątkowo
wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi, dlatego jest stosowany
na najsilniej obciążone elementy konstrukcji lotniczych oraz innych
środków transportu.
Ich wadą jest mała odporność korozyjna, a szczególnie duża skłonność
do korozji naprężeniowej.
Przykładem może być stop: AlZn6Mg2Cu. Pręt wyciskany, przesycony,
zgnieciony i starzony wykazuje: Rm = 540 MPa, A = 7 %. Stosowany na
znacznie obciążone elementy konstrukcji lotniczych, środków transportu
i maszyn.
Stopy aluminium z litem ze względu na małą gęstość litu (0,53 Mg/m3)
są wyjątkowo atrakcyjne dla przemysłu lotniczego i kosmicznego.
Wprowadzenie 1% Li zmniejsza gęstość stopu Al o ok. 3% zwiększając
równocześnie sztywność (moduł Younga) o 6%! Ponadto lit wyjątkowo
korzystnie wpływa na wytrzymałość zmęczeniową oraz wiązkość w niskiej temperaturze (−196 °C). Obok litu występuje zwykle Cu, Mg lub/i
Zr (cyrkon). Wieloskładnikowe stopy Al – Li po umocnieniu wydzieleniowym i walcowaniu, osiągają Rm do 700 MPa przy Re dochodzącym do
670 MPa.
Strona 188
STOPY METALI NIEŻELAZNYCH
11.2. Miedź i jej stopy
Miedź jest metalem stosowanym od czasów prehistorycznych na długo
przed wykorzystaniem żelaza. Obecnie jest jednym z droższych i deficytowych metali. Krystalizuje w sieci regularnej ściennie centrowanej
RSC. W stanie wyżarzonym, czysta miedź charakteryzuje się dużą plastycznością oraz przeciętnymi właściwościami wytrzymałościowymi, które można podwyższyć przez zgniot lub wprowadzenie odpowiednich dodatków stopowych. Jej wysoka gęstość wynosząca 8,94 Mg/m3 sprawia,
że wytrzymałość właściwa miedzi jest bardzo niska, co w znacznym
stopniu ogranicza stosowanie miedzi i jej stopów na elementy konstrukcji. Właściwości mechaniczne miedzi przedstawiono w tabeli 11.7.
Tabela 11.7. Właściwości mechaniczne miedzi
Właściwości
Twardość
Wytrzymałość na
rozciąganie
Granica plastyczności
Wydłużenie
Moduł sprężystości
Miedź w stanie
wyżarzonym
Miedź w stanie
zgniecionym
(60-80%)
45 HBW
120 HBW
Rm =200÷250 [MPa]
Rm = 400÷450 [MPa]
Re = 35 [MPa]
----
A10 = 30÷ 35 [%]
A10 = 1÷ 2 [%]
E = 124000 [MPa]
Miedź cechuje również duża przewodność cieplna i elektryczna oraz odporność na korozję atmosferyczną i działanie wody, którą uzyskuje dzięki pokrywaniu się powierzchni zasadowym węglanem miedziowym (patyną), nie wykazuje natomiast odporności na działanie amoniaku.
Miedź stosowana jest:
•
w elektrotechnice na przewody,
•
w energetyce i przemyśle chemicznym na chłodnice i wymienniki ciepła,
•
w budownictwie na blachy do pokryć dachowych oraz rury
do różnych instalacji.
Strona 189
ROZDZIAŁ 11
Klasyfikację stopów miedzi przeprowadza się ze względu na sposoby
wytwarzania na:
•
odlewnicze,
•
przeznaczone do obróbki plastycznej
oraz ze względu na skład chemiczny na:
•
brązy – stopy miedzi z cyną (Sn)
•
mosiądze – stopy miedzi z cynkiem (Zn)
•
miedzionikle – stopy miedzi z niklem (Ni)
Stopy miedzi oznaczane są symbolem miedzi, po którym znajdują się
symbole dodatków stopowych i ich zawartości. Pierwiastki wymienione
są w kolejności malejącego stężenia, np. CuSn5Pb1.
Brązy
Brązy to stopy miedzi z cyną lub innymi metalami dwu lub wieloskładnikowe, w których zawartość miedzi zawiera się w granicach 80÷90%
wagowych i w których podstawowym dodatkiem stopowym nie jest Zn
oraz Ni.
Podstawy dodatek stopowy, jakim jest cyna zaczęto zastępować innymi
tańszymi pierwiastkami i tak obecnie dostępne są: brąz cynowy, brąz
aluminiowy, brąz manganowy, brąz krzemowy i brąz berylowy.
Brązy charakteryzują się następującymi właściwościami:
•
dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i przeciwciernymi,
•
są łatwo obrabialne, odporne na wysoką temperaturę oraz
korozję.
Natomiast zastosowanie brązów jest ograniczone ze względu na ich
wysoką cenę i niską wytrzymałość właściwą.
Brązy cynowe
Są to stopy miedzi z cyną zawierające do 10 % Sn. Ze względu na małą
szybkość dyfuzji brązy cynowe wykazują dużą skłonność do segregacji,
stąd konieczność ich homogenizacji (700 °C/24h). Charakteryzują się
Strona 190
STOPY METALI NIEŻELAZNYCH
bardzo dobrą odpornością na korozję w warunkach atmosferycznych jak
i w wodzie morskiej. Nie są wrażliwe na korozję naprężeniową.
Przy małych zawartościach cyny (do 4 %) mają strukturę roztworu α (Sn
w Cu). Wraz ze zwiększeniem stężenia Sn w strukturze pojawią się fazy
międzymetaliczne najczęściej faza δ wchodząca w skład mieszaniny
eutektoidalnej.
Rysunek 11.2. Wpływ zawartości Sn na właściwości
brązów cynowych wg [12]
Stopy o budowie jednofazowej wykazują dość dobre właściwości plastyczne i mogą być poddawane obróbce plastycznej. Obecność eutektoidu
w stopie powoduje wyraźne obniżenie właściwości plastycznych. Maksymalne wydłużenie uzyskuje się przy zawartości ok. 4 % Sn. Natomiast
największą wytrzymałość na rozciąganie brązy cynowe osiągają przy ok.
8 % Sn. Powyżej tej zawartości cyny, wydłużenie stopów jest bliskie
zeru.
Brązy do obróbki plastycznej na zimno zawierają do 8% Sn.
Najczęściej stosowanymi z tej grupy brązami są: CuSn4, CuSn7
i CuSn8. Po obróbce plastycznej brązy te wykazują dobre właściwości
mechaniczne i stosowane są w formie blach, prętów, drutów, rurek na
różne elementy przyrządów pomiarowych, precyzyjnych, siatki, sprężyny,
membrany itp. Zgniot powoduje silne umocnienie stopu, np. przy zawartości 7% Sn zgniot 50% powiększa Rm z 390 do 740 MPa. Zależnie od
stopnia zgniotu wyróżnia się stany stopu: wyżarzony, twardy i sprężysty.
W celu uplastycznienia materiału stosowane jest międzyoperacyjne
wyżarzanie rekrystalizujące, które może być również końcowym etapem
procesu kształtowania wyrobu.
Strona 191
ROZDZIAŁ 11
Brązy zawierające powyżej 8% Sn (zwykle ok. 10%) stosowane są na
odlewy części maszyn silnie obciążonych i pracujących na ścieranie
(koła zębate, ślimacznice, wirniki pomp, itp.). Dodatek ok. 1% fosforu do
brązu powoduje wzrost twardości, odporności na ścieranie i poprawia
właściwości ślizgowe, cynk poprawia właściwości odlewnicze, a ołów,
nietworzący roztworów, polepsza skrawalność, zmniejsza współczynnik
tarcia i korzystnie wpływa na szczelność odlewów.
Brązy cynowo – fosforowe oraz cynowo – cynkowo – ołowiowe stosuje się głównie na tulejki i panewki łożyskowe oraz części maszyn, aparatury i armatury wodnej.
Brązy aluminiowe
Brązy aluminiowe (brązale) zawierają do 11% Al, są stopami znacznie
tańszymi od brązów cynowych, a szereg ich właściwości użytkowych
(np. odporność na korozję, wytrzymałość, plastyczność oraz ciężar
właściwy) jest wyższa. Właściwości mechaniczne brązów aluminiowych
zależą od zawartości Al i osiągają optimum przy 9÷10% Al.
Charakteryzują się:
•
wysokimi właściwościami mechanicznymi,
•
wysoką odpornością na korozję, zwłaszcza na działanie wody morskiej,
•
dobrymi właściwościami ślizgowymi i odpornością na ścieranie.
Właściwości mechaniczne brązów aluminiowych można polepszyć
wprowadzając do nich kolejne dodatki takie jak, Fe, Mn i Ni co daje
możliwość zwiększenia ich właściwości wytrzymałościowych przez
ulepszanie cieplne. Można je przerabiać plastycznie na zimno i gorąco.
Znajdują zastosowanie w przemyśle maszynowym, okrętowym i chemicznym do produkcji:
Strona 192
•
panewek łożysk ślizgowych,
•
kół zębatych,
•
gniazd zaworów,
•
elementów konstrukcji stosowanych w przemyśle chemicznym,
STOPY METALI NIEŻELAZNYCH
•
elementów pracujących w wodzie morskiej, w tym także
śrub okrętowych,
•
do wytwarzania monet.
Brązy berylowe
Techniczne stopy Cu - Be zawierają do 2,5% Be oraz dodatki Ni, Co i Ti
(dodatki te zastępując Be obniżają cenę oraz poprawiają ich
właściwości). Stopy te są przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno
i gorąco.
Ten rodzaj brązów cechują:
•
najwyższe właściwości mechaniczne,
•
wysoka odporność na korozję,
•
bardzo dobra przewodność elektryczna,
•
brak iskrzenia przy uderzeniach.
Wzrost właściwości wytrzymałościowych uzyskuje się po zastosowaniu
obróbki plastycznej na zimno lub/i utwardzeniu wydzieleniowym. Po
starzeniu osiągają Rm = 1400 MPa oraz twardość 350 HV. Wartości te są
porównywalne z wartościami uzyskiwanymi dla stali stopowych.
Brązy berylowe stosuje się do wyrobu sprężyn amortyzatorów lotniczych, niemagnetycznych elementów aparatury precyzyjnej, niektórych
łożysk ślizgowych, elementów pomp, szczotek silników elektrycznych
i przewodów trakcji elektrycznej oraz narzędzi i elementów maszyn do
pracy w pomieszczeniach zagrożonych wybuchem (narzędzia nie iskrzą).
Mosiądze
Mosiądze to stopy miedzi z cynkiem o zawartości Zn do 45%. Większe
zawartości cynku powodują tworzenie się twardych faz międzymetalicznych, które zwiększają znacznie kruchość stopu.
Mosiądze odznaczają się:
•
dobrą odpornością korozyjną,
•
dobrymi właściwościami mechanicznymi,
•
dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym,
Strona 193
ROZDZIAŁ 11
•
możliwością wytwarzania stopów Cu – Zn o szerokim spektrum właściwości,
•
możliwością modyfikacji mosiądzów przez dodanie innych
składników stopowych.
Dwuskładnikowe stopy Cu z Zn ze względu na skład fazowy dzieli się
na:
•
jednofazowe - o strukturze roztworu α (Zn w Cu) i stężeniu
od 2 do 39% Zn,
•
dwufazowe o strukturze mieszaniny α + β (roztwór na bazie
fazy CuZn) i stężeniu od 39 do 45% Zn.
Właściwości wytrzymałościowe mosiądzu jednofazowego, w wyniku
umocnienia roztworowego, wzrastają wraz ze wzrostem zawartości Zn.
Dodatek Zn do ok. 30% zwiększa wytrzymałość z jednoczesnym zwiększeniem plastyczność.
Rysunek 11.3. Wpływ zawartości cynku na właściwości mechaniczne
stopów Cu - Zn wg [8]
W związku z tym, iż stopy te są plastyczne dalszy wzrost wytrzymałości
można osiągnąć przez obróbkę plastyczną na zimno. W wyniku zastosowania obróbki plastycznej na zimno i wyżarzania rekrystalizującego
uzyskuje się mosiądze jednofazowe o szerokim spektrum właściwości
wytrzymałościowych, które określane są odpowiednimi stanami: wyżarzonym, półtwardym, twardym i sprężystym. Duża plastyczność, umożliwia stosowanie ich na produkty głęboko tłoczone i obrabiane plastycznie
na zimno.
Strona 194
STOPY METALI NIEŻELAZNYCH
Wytrzymałość stopów zawierających ok. 30 do 45% Zn zwiększa się
przy znacznym zmniejszeniu plastyczności. Wiąże się to z obecnością
fazy β‘ w stopach dwufazowych i dlatego można je obrabiać plastycznie
wyłącznie na gorąco w temperaturze, w której mają strukturę jednofazową.
Mosiądze do obróbki plastycznej w zależności od zawartości Zn stosowane są na:
•
4% Zn – rurki chłodnic, łuski amunicji małokalibrowej,
•
10% Zn – blachy do platerowania1,
•
15÷20% Zn – wyroby artystyczne, wężownice, membrany
manometrów, siatki,
•
30÷32% Zn – blachy do głębokiego tłoczenia, łuski pocisków, rury skraplaczy pary,
•
37% Zn – rurki chłodnic samochodowych, rury skraplaczy,
•
40% Zn – elementy kute i prasowane na gorąco, śruby z wygniatanym gwintem.
Znaczącą grupę stopów Cu – Zn stanowią mosiądze wieloskładnikowe,
do których dodawane są inne pierwiastki jak: Pb, Fe, F, P, Mn, Sn, Al,
Ni, Si i inne. Powodują one dodatkowe umocnienie stopów lub/i modyfikują proces krystalizacji. Mosiądze wieloskładnikowe często zastępują
znacznie droższe brązy cynowe. Mosiądze cynowe (CuZn28Sn1), aluminiowe (CuZn2lAl2), manganowe (CuZn40Mn) stosuje się w przemyśle
okrętowym na rury chłodnic, na odlewy armatury i części maszyn czy
śruby okrętowe (CuZn50Mn3Fe). Dzięki dobrym właściwościom
sprężystym mosiądz niklowy (CuZn29Ni6) używany jest na rury i membrany manometrów. Na elementy precyzyjne obrabiane metodami
obróbki skrawaniem wykorzystuje się mosiądze ołowiowe (np.
CuZn34Pb3), zaś mosiądze cynowe (< 1%Sn) do wyrobu części dla
przemysłu motoryzacyjnego (np. CuZn38Sn).
Mosiądze odlewnicze zawierają 38÷40% Zn mają budowę dwufazową.
Charakteryzują się dobrą lejnością oraz dobrym wypełnieniem form.
1
Platerowanie – nakładanie powłoki ochronnej w postaci cienkiej warstwy metalu
połączonej z warstwą podłoża metodą walcowania na gorąco (nawalcowywania),
tłoczenia wybuchowego, odlewania odśrodkowego i dalszej obróbki plastycznej lub
przez tzw. nakładanie skurczowe.
Strona 195
ROZDZIAŁ 11
Stopy te odlewa się zwykle w formach metalowych zapewniających
dużą szybkość chłodzenia, a przez to odpowiednie rozdrobnienie struktury zapewniające dobre właściwości mechaniczne. Ze względu na znaczna odporność korozyjną stosowane są do produkcji armatury sanitarnej,
gazowej i hydraulicznej.
Odlewy wykonuje się na ogół z mosiądzów wieloskładnikowych, zawierających Al, Mn, oraz Fe. Aluminium i mangan podwyższają odporność na działanie wody morskiej i stosuje się je jako dodatki do
odlewów dla przemysłu okrętowego (CuZn30Al13), w tym odlewy śrub
okrętowych (CuZn50Mn3Fe). Ten ostatni wykorzystuje się również na
duże odlewy słabo obciążone statycznie.
Miedzionikle
Miedzionikle to stopy Cu – Ni, w których zawartość niklu może sięgać
nawet 40%. Zawierają również do 1% Si i do 2%: Al, Fe, Mn.
Charakteryzują się:
•
dobrą wytrzymałością (Rm = 400÷600 MPa, A10 = 15÷30%),
•
żaroodpornością,
•
odpornością na korozję,
•
dobrymi właściwościami oporowymi.
Miedzionikle dostarczane są jako wyroby po obróbce plastycznej w postaci blach, drutów, prętów, taśm i rur. Można je podzielić na dwie grupy: stopy odporne na korozję i stopy oporowe. Wykonuje się z nich części aparatury chemicznej, elementy dla przemysłu okrętowego, narzędzia
medyczne, monety itp.
Strona 196
`
12
Tworzywa ceramiczne
W tym rozdziale:
o
o
o
o
o
Klasyfikacja tworzyw ceramicznych
Wytwarzanie tworzyw ceramicznych
Mikrostruktura tworzyw ceramicznych
Właściwości tworzyw ceramicznych
Przykładowe gatunki ceramiki specjalnej
ROZDZIAŁ 12
Klasyfikacja tworzyw ceramicznych
Materiały ceramiczne to nieorganiczne i niemetaliczne ciała stałe, które
wg [13] można podzielić na:
•
ceramikę tradycyjną – krzemianową (porcelana, fajans, wyroby budowlane) otrzymywaną z naturalnych surowców
o cząstkach mikrometrycznych takich jak kaoliny i glinokrzemiany),
•
nowoczesną ceramikę specjalną, do której zaliczamy ceramikę tlenkową i beztlenkową (węgliki, azotki, borki) otrzymywaną z syntetycznych proszków o wielkości cząstek mikro
i nanometrycznych.
•
szkła na bazie SiO2,
•
cement i beton wielofazowe mieszaniny ceramiczne,
•
skały i minerały.
Ceramika specjalna (techniczna, inżynierska) jest zróżnicowaną grupą
materiałów ceramicznych, które przynajmniej jedną ze swoich cech mają
na tyle atrakcyjną, że znajdują zastosowanie w technice lub medycynie.
Wytwarzana jest ona w wyniku spiekania w wysokiej temperaturze
(1500÷2100 °C), związków takich jak: węgliki, azotki i tlenki.
Spiekanie jest procesem polegającym na przemianie materiału sproszkowanego w ciało polikrystaliczne w wyniku działania wysokiej temperatury (0,40÷0,85 temperatury topnienia przeważającego składnika).
Strona 198
TWORZYWA CERAMICZNE
Rysunek 12.1. Klasyfikacja ceramiki specjalnej ze względu na skład
chemiczny
Rysunek 12.2. Klasyfikacja ceramiki specjalnej
ze względu na zastosowanie
Ze względu na strukturę, tworzywa ceramiczne dzielimy na materiały
amorficzne, do których zaliczany szkło oraz materiały krystaliczne, do
których zaliczamy pozostałe tworzywa ceramiczne.
Wśród krystalicznych tworzyw ceramicznych, ze względu na występujący w nich rodzaj wiązań międzyatomowych, wyróżnia się: ceramikę jonową i ceramikę kowalencyjną.
W ceramikach jonowych dominującym wiązaniem chemicznym jest
wiązanie jonowe. Zaliczamy do nich związki metalu z niemetalem takie
Strona 199
ROZDZIAŁ 12
jak ZrO2, NaCl, MgO, Al2O3. Jony metalu i niemetali mają ładunki
o przeciwnych znakach i dążą do jak najgęstszego ułożenia w przestrzeni
tak, aby jony o przeciwnych ładunkach znajdowały się jak najbliżej
siebie, a jony o tych samych ładunkach nie stykały się ze sobą.
Jeśli w strukturze występuje równowaga między kationami – jonami
metali i anionami – jonami niemetali, materiały ceramiczne z wiązaniami
jonowymi, mają stabilną strukturą. W strukturze krystalicznej większości
ceramik jonowych aniony zajmują miejsca w węzłach sieci krystalicznej
(najczęściej RSC, RPC oraz HZ), natomiast kationy lokują się w lukach
oktaedrycznych lub tetraedrycznych, jak przedstawiono na rysunku 12.3.
Rysunek 12.3. Komórka elementarna a) MgO, b) Al2O3, c) położenie luk
oktaedrycznych i teraedrycznych w sieci regularnej ściennie centrowanej
W ceramikach kowalencyjnych dominuje wiązanie kowalencyjne. Są to
czyste pierwiastki: diament, grafit, krzem oraz związki dwóch niemetali,
takie jak bardzo twarde ceramiki konstrukcyjne SiC i Si3N4 o strukturze
zbliżonej do struktury diametu. Wykonuje się z nich elementy odporne
na ścieranie i wysoką temperaturę, na przykład części silników spalinowych oraz panewki łożysk pracujących w wysokich temperaturach.
Strona 200
TWORZYWA CERAMICZNE
Rysunek 12.4. Komórka elementarna a) diamentu, b) SiC, c) grafitu
Ceramika znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach gospodarki, np.
w budownictwie, elektronice, hutnictwie a także, jako materiały konstrukcyjne. Wyroby ceramiczne bardzo często stosowane są w miejscach
narażonych na działanie czynników atmosferycznych, agresywnych substancji oraz wysokich temperatur. W tabeli 12.1 i 12.2 podano przykładowe zastosowanie ceramiki tradycyjnej i specjalnej.
Tabela 12.1. Przykładowe zastosowanie ceramiki tradycyjnej
Ceramika
Ceramika ozdobna,
użytkowa.
Przykładowe wyroby
Zastawy stołowe oraz
wyroby dekoracyjne.
Ceramika sanitarna.
Urządzenia sanitarne –
umywalki, zlewy itp.
Ceramika budowlana
w tym materiały
wiążące.
Materiały
ogniotrwałe.
Cegły, dachówki, płytki
ścienne i podłogowe,
szkło i cement oraz
beton.
Wykładziny pieców,
cegły.
Materiały
Porcelana stołowa, porcelit,
fajans, szkło.
Fajans, ceramika porowata,
kamionka (glin z dodatkiem
szamotu lub piasku
kwarcowego).
Ceramika porowata z gliny,
kamionka.
Cement (CaO + Al2O3 + Si02 +
H2O)
Szamot, fajans, ceramika
porowata, ceramika tlenkowa.
Strona 201
ROZDZIAŁ 12
Tabela 12.2. Przykładowe zastosowanie ceramiki specjalnej
Funkcje
ceramiki
Mechaniczne
Biologiczne
Elektryczne i
magnetyczne
Zastosowanie
Materiały
Wirniki,
komory spalania,
elementy silników
spalinowych,
łożyska,
narzędzia skrawające.
Sztuczne korzenie zębów,
endoprotezy kości
i stawów.
Materiały odporne na ścieranie:
Al2O3, ZrO2, SiC, Materiały
termoodporne: Al2O3, SiC, Si3N4,
Materiały narzędziowe: Al2O3, SiC,
TiC, TiN, Si3N4, SiAlON, C,
diament.
Materiały obojętne biologicznie,
odporne na korozję i ścieranie
Al2O3, ZrO2.
Kondensatory
ceramiczne, podłoża
elektroniczne elementy
czujników temperatury,
ogniwa słoneczne,
piezoelektryczne
generatory iskrowe,
elementy izolacyjne,
rdzenie cewek, magnesy,
sensory,
Materiały izolacyjne: Al2O3, BeO,
MgO, AlN,
Materiały ferroelektryczne: BaTiO3,
SrTiO3,
Materiały piezoelektryczne: PZT –
Pb(Zr,Ti)O3,
Materiały półprzewodnikowe: SiC,
ZnO-Bi2O3, V2O5,
Materiały o przewodności jonowej:
Al2O3, ZrO2.
Tabela 12.2. c.d. Przykładowe zastosowanie ceramiki specjalnej
Funkcje
ceramiki
Optyczne
Chemiczne
Zastosowanie
Materiały
Świetlówki,
wysokociśnieniowe
lampy sodowe, lasery,
przewody
światłowodowe.
Nośniki katalizatorów,
katalizatory, elektrody,
nośniki enzymów,
czujniki gazów, układy
alarmowe przecieku gazu.
Przezroczysty: Al2O3, MgO, mullit
(3Al2O3·2SiO2), Y2O3-ThO2,
Ceramika elektrooptyczna: PLZT –
(Pb,La)(Zr,Ti)O3.
Czujniki gazu: ZnO, Fe2O3, SnO2,
Nośniki substancji katalitycznych:
kordieryt (2MgO·2Al2O3·5SiO2),
Elektrody: tytaniany siarczki, borki.
Z punktu widzenia inżyniera mechanika najważniejsza jest ceramika
konstrukcyjna przeznaczona na elementy pracujące pod obciążeniem
mechanicznym, dlatego też w dalszej części rozdziału omówiona zostanie tylko ta grupa ceramiki.
Strona 202
TWORZYWA CERAMICZNE
Wytwarzanie tworzyw ceramicznych
Ceramikę wytwarza się z proszków, które poddaje się prasowaniu w celu
uzyskania odpowiedniego kształtu, a następnie wypalaniu w odpowiedniej temperaturze. Wypalanie jest procesem konsolidacji zachodzącym
w wysokich temperaturach, w którym z materiału w postaci proszku
uzyskuje się lite tworzywo.
Schematycznie uproszczony proces wytwarzania można przedstawić jak
na rysunku 12.5.
Rysunek 12.5: Uproszczony schemat wytwarzania ceramiki
1. Wytwarzanie surowca w postaci proszku
Materiałem wejściowym do produkcji ceramiki konstrukcyjnej są syntetyczne proszki tlenków, azotków i węglików o wielkości ziarna, mikro
i nanometrycznych. Istnieje szereg metod wytwarzania proszków ceramicznych polegających na ich syntezie w fazie stałej (np. wysokoenergetyczne rozdrabnianie materiałów), gazowej (np. osadzanie chemiczne
z fazy gazowej) lub ciekłej (np. synteza hydrotermalna). Poszczególne
Strona 203
ROZDZIAŁ 12
materiały można otrzymywać różnymi metodami. Zastosowana metoda
syntezy wpływa na mechaniczne, fizyczne i chemiczne właściwości produkowanego materiału. Proszki wytworzone z tego samego surowca mogą znacznie różnić się właściwościami w zależności od zastosowanej
metody syntezy. Bardzo ważne jest, aby proszki przeznaczone do spiekania charakteryzowały się duża dyspersją, ponieważ ich energia powierzchniowa stanowi siłę napędową późniejszego procesu spiekania. Najczęściej stosuje się proszki o wielkości ziarna od 0,5÷1 µm.
Dodatkowo powinny one charakteryzować się:
•
wysoką czystością,
•
identycznym kształtem i rozmiarem cząstek,
•
identycznym składem chemicznym oraz strukturą krystaliczną,
•
łatwo usuwalną aglomeracją cząstek.
Natomiast metoda syntezy powinna zapewniać:
•
powtarzalność procesu,
•
odpowiedni koszt wytwarzania proszków,
•
możliwości przeprowadzenia syntezy w większej skali.
2. Wytwarzanie masy roboczej
Do materiału wejściowego dodawane są dodatki w celu ułatwienia
formowania i / lub spiekania.
3. Formowanie z masy roboczej określonego wyrobu
Jest jednym z ważniejszych etapów procesu wytwarzania wyrobów ceramicznych, w którym materiał wejściowy w postaci proszku zostaje
przekształcony w zwarty, zagęszczony półprodukt o określonej geometrii i mikrostrukturze. W zależności od rodzaju produktu oraz konsystencji mas ceramicznych stosuje się różne metody formowania.
Dla mas sypkich o wilgotności od 2÷12% stosuje się formowanie wstępne przez prasowanie w odpowiedniej formie. Wykorzystywane są:
Strona 204
•
prasowanie jednostronne lub dwustronne,
•
prasowanie na gorąco,
TWORZYWA CERAMICZNE
•
prasowanie izostatyczne (prowadzone w komorze wysokociśnieniowej) na zimno lub na gorąco,
•
prasowanie wibracyjne,
•
prasowanie detonacyjne,
•
prasowanie walcowe.
Stosowanie podwyższonej temperatury i wysokiego ciśnienia prowadzi
do skrócenia czasu spiekania i uzyskania materiału o większej gęstości –
bliskiej teoretycznej. Dodatkowo skrócenie czasu spiekania zapobiega
rozrostowi ziaren.
Przez prasowanie uzyskuje się wyroby o wysokim stopniu zagęszczenia i
wysokiej wytrzymałości. Istnieją jednak ograniczenia uzyskiwanych
kształtów. W otrzymywanych wyrobach nie można uzyskać wcięć, podcięć i otworów w kierunku nierównoległym do kierunku prasowania.
Masy plastyczne o wilgotności od 13÷30% formuje się przez:
•
Wytłaczanie za pomocą prasy przez ustnik nadający kształt
wyrobom. Stosowane do otrzymywania rurek, prętów i wyrobów cienkościennych.
•
Wtrysk masy pod ciśnieniem (od 100÷200 MPa) do zamkniętej formy. Stosowane dla wyrobów cienko i grubościennych.
Masy lejne o wilgotności większej od 30% formuje się metodą odlewania żelowego. Do koloidalnej zawiesiny proszku ceramicznego w wodzie, dodaje się roztworu reaktywnego monomeru organicznego i inicjatora polimeryzacji. Po napełnieniu formy zawiesiną następuje jej żelowanie.
4. Wypalanie (spiekanie) półfabrykatu
Wypalanie prowadzi do dyfuzyjnego łączenia cząstek proszku. Spiekanie
jest wynikiem zjawisk przenoszenia masy do pustych przestrzeni
(porów).
Strona 205
ROZDZIAŁ 12
Rysunek 12.6. Schemat etapów spiekania a) dociśnięte cząstki proszku,
b) początek spiekania – tworzenie „szyjek”, c) struktura końcowa
zawierająca małe koliste pory
W sprasowanym proszku podgrzanym do 0,40-0,85 Tt cząstki proszku
zaczynają się łączyć tworząc w pierwszym etapie „szyjki” (rysunek 12.6b), które następnie rozrastają się tworząc granice ziaren
(rysunek 12.6c). Szybkość procesów dyfuzyjnych zależna jest od temperatury.
Jak już wcześniej wspomniano siłą napędową konsolidacji jest energia
powierzchniowa dyspersyjnych proszków. W trakcie spiekania swobodna powierzchnia ziaren proszku zanika kosztem pojawiających się granic
ziaren, a tym samym następuje zmniejszenie objętości porów i wypraska
zmniejsza swoją objętość – rysunek 12.6.
Spiekanie w zależności od rodzaju spiekanego tworzywa ceramicznego
prowadzone jest w:
•
w powietrzu dla większości tlenków,
•
w atmosferze azotu, argonu lub helu dla materiałów nietlenkowych.
Jeśli skład atmosfery nie wpływa na proces spiekania, czyli nie wchodzi
w reakcję z materiałem, atmosfera spiekania jest obojętna.
5. Obróbka końcowa
Niejednokrotnie użyteczność wyrobów z tworzyw ceramicznych wymaga modyfikacji ich powierzchni oraz łączenia z innymi elementami wykonanymi z innych materiałów. Obróbka końcowa prowadzona jest
w celu wygładzania powierzchni, wyrównania brzegów, wycinania,
przecinania lub też perforowania. Do obróbki ceramiki stosowana jest
Strona 206
TWORZYWA CERAMICZNE
obróbka mechaniczna (skrawanie,
elektrochemiczna i chemiczna.
lub
ścieranie),
laserowa,
Łączenie ceramiki z innymi materiałami można realizować przez:
•
klejenie,
•
połączenia szkłami,
•
lutowanie,
•
zgrzewanie dyfuzyjne,
•
mocowanie za pomocą śrub,
•
połączenia gwintowe.
W przypadku tworzyw ceramicznych należy unikać połączeń prowadzących do koncentracji naprężeń (śruby, nity), które mogą prowadzić do
kruchego pękania. Ceramikę z ceramiką najlepiej łączyć wykorzystując
zgrzewanie dyfuzyjne, które przebiega podobnie jak proces spiekania.
W przypadku łączenia ceramiki z metalami najczęściej stosowane jest
lutowanie i klejenie.
Mikrostruktura tworzyw ceramicznych
Mikrostruktura ceramiki w dużym stopniu jest rezultatem sposobu jej
wytwarzania.
Rysunek 12.7. Model mikrostruktury ceramik krystalicznej
Tworzywa ceramiczne, podobnie jak metale, mają strukturę polikrystaliczną. Poszczególne ziarna są mniej lub bardziej doskonałymi
monokryształami stykającymi się ze sobą tworząc granice ziaren. Materiały ceramiczne praktycznie nigdy nie osiągają gęstości teoretycznej, ponieważ charakteryzują się pewną, zależną od rodzaju spiekanego proszku
Strona 207
ROZDZIAŁ 12
oraz zastosowanej technologii wytwarzania, gęstością porów. Zawarte
w strukturze pory osłabiają materiał, a ich gęstość oraz kształt mają istotny wpływ na właściwości ceramiki.
Właściwości tworzyw ceramicznych
Właściwości materiałów ceramicznych zależne są od:
•
rodzaju wiązań międzyatomowych (jonowe, kowalencyjne),
•
przestrzennego ułożenia atomów – typ sieci krystalicznej,
•
defektów sieci krystalicznej,
•
gęstości porów oraz ich kształtu.
Kowalencyjny i jonowy charakter wiązań atomowych nadaje ceramice
następujące właściwości:
Wysoką temperaturę topnienia, która umożliwia wysoką temperaturę
pracy.
Tabela 12.3. Temperatura topnienia ceramik w porównaniu z metalami
Rodzaj ceramiki
Ttopnienia [˚C]
Węglik hafnu HfC
4150
Węglik tantalu TaC
3850
Grafit C
3800
Węglik cyrkonu ZrC
3520
3370
Azotek tantalu TaN
3350
Węglik tytanu TiC
3120
2996
Borek tytanu TiB2
2980
Węglik wolframu WC
2850
Azotek boru BN
2730
2622
Strona 208
Tlenek berylu BeO
2570
Węglik krzemu SiC
2500
Metale
Wolfram W
Tantal Ta
Molibden Mo
TWORZYWA CERAMICZNE
Tlenek glinu Al2O3
2050
1800
Tlenek tytanu TiO2
Tytan Ti
1605
1527
Żelazo Fe
Wysoką wartością modułu właściwego (E/ρ)
Wysoki moduł Younga wynika z dużej sztywności wiązań jonowych
i kowalencyjnych oraz niskiej gęstości lekkich atomów takich jak tlen,
węgiel, aluminium i krzemu, z których zbudowane są tworzywa ceramiczne.
Tabela 12.4. Przykładowe wartości modułu Younga wg [13]
Korund Al2O3
3,9
Moduł
Younga
E [GPa]
390
Kwarc SiO2
2,6
69
27
Stale
Stopy
aluminium
7,8
210
27
2,7
70
26
Gęstość
ρ [Mg/m3]
Materiał
Moduł właściwy
E/ρ
ρ [GPa/Mg×
×m-3]
100
Na wartość modułu sprężystości istoty wpływ wywiera mikrostruktura
ceramiki, którą zakładając pewne uproszczenia możemy rozpatrzeć, jako
materiał dwufazowy składający się z jednofazowego tworzywa ceramicznego (E1, V1) oraz porów powietrza (E2, V2). Korzystając z reguły
mieszanin można określić, jaki wpływ na wartość modułu Younga
wywierają pory powietrza zawarte w strukturze ceramiki.
E = E1V1 + E2V2 ponieważ E2=0 to E = E1V1
gdzie: E1 oraz E2 – moduły sprężystości fazy pierwszej i drugiej (pory),
V1 i V2 – udział objętościowy każdej fazy.
Pory powietrza i mikropęknięcia powstałe w trakcie procesu wytwarzania ceramik tworzą w strukturze materiału nieciągłości, które powodują
koncentrację naprężeń w sieci krystalicznej.
Strona 209
ROZDZIAŁ 12
Rysunek 12.8. Koncentracja naprężeń u wierzchołka pęknięcia
Na rysunku 12.8 przedstawiono sytuację, w której przenoszone jest naprężenie wzdłuż przerwanych wiązań atomowych (pory, mikropęknięcia). W związku z tym, że przenoszenie obciążenia przez rozerwanie
wiązania jest niemożliwe, musi się ono odbyć poprzez atomy położone
na wierzchołku pęknięcia, gdzie w konsekwencji następuje koncentracja
naprężeń.
Tylko w dużej odległości od powierzchni pęknięcia naprężenia w materiale są równe naprężeniom zewnętrznym (σZ).
σ Lok = 2σ Z
a
r
Gdzie: a – długość pęknięcia,
r – promień krzywizny wierzchołka pęknięcia.
Naprężenia lokalne (σLok) w wierzchołku mogą osiągnąć wielkość równą
teoretycznej wytrzymałości wiązania przy niezbyt dużych naprężeniach
zewnętrznych (σZ). Może, więc wystąpić sytuacja, że pęknięcia
istniejące w materiale poddawanym obciążeniu, będą się rozwijać przy
naprężeniu zewnętrznym mniejszym od teoretycznej wytrzymałości na
rozciąganie, czyli wskutek koncentracji naprężeń nastąpi propagacja
pęknięcia i zniszczenie materiału.
Koncentracja naprężeń na nieciągłościach struktury jest szczególnie
istotna w przypadku materiałów kruchych, jakimi są tworzywa ceramiczne. Odporność materiału na kruche pękanie jest miarą energii odkształcenia sprężystego pochłoniętej przez materiał przy propagacji pęknięcia.
Strona 210
TWORZYWA CERAMICZNE
Odporność materiałów plastycznych na nagłe pękania związana jest
z możliwością odkształcenia plastycznego i tym samym relaksacji koncentracji lokalnych naprężeń. Materiały kruche mają możliwość odkształcenia plastycznego w ograniczonym zakresie i dlatego mogą przyjąć znacznie mniej energii niż materiały plastyczne, co prowadzi do propagacji pęknięcia przy znacznie niższych naprężeniach.
Z przedstawionego powyżej równania wynika, że wartość σLok wzrasta
ze zmniejszeniem promienia krzywizny poru. Z tego powodu pory o ostrych zakończeniach powodują znacznie większą koncentracje naprężeń
niż pory o sferycznych kształtach. Uwzględniając koncentrację naprężeń
na wierzchołkach nieciągłości, otrzymujemy równanie na wartość moduł
sprężystości E:
E = kEIVI,
gdzie: k – współczynnik odzwierciedlający koncentrację naprężeń równy
σ/σmax.
Na rysunku 12.9 przedstawiono zmianę modułu Younga w funkcji objętości porów oraz wpływ geometrii porów na wartość modułu sprężystości.
Rysunek 12.9. Zmiana modułu względnego w funkcji udziału
objętościowego porów wg [10]
Wysoką wytrzymałość i twardość, a tym samy odporność na
ścieranie
Twardość jest miarą odporności materiału na odkształcenia plastyczne.
Ponieważ odkształcenie plastyczne w materiałach krystalicznych zachodzi przez poślizg dyslokacji, to w zasadzie w próbie twardości określa
Strona 211
ROZDZIAŁ 12
się, jaki opór stawia sieć krystaliczna przemieszczającym się dyslokacjom. Metale są materiałami plastycznymi, ponieważ opór stawiany
dyslokacjom przez niezlokalizowane wiązania metaliczne jest stosunkowo mały (rysunek 12.10a). Energia wiązania metalicznego pochodzi od
elektrostatycznego oddziaływania między dodatnio naładowanymi rdzeniami atomowymi, a ujemnie naładowanym „gazem elektronowym”.
Natomiast tworzywa ceramiczne takie jak korund Al2O3, węglik krzemu
azotek boru, czy diament, w których dominuje wiązanie kowalencyjne są
najtwardszymi ciałami stałymi. Sieć krystaliczna tych materiałów stawia
duży opór przemieszczającym się dyslokacjom tak, że odkształcenie
plastyczne przez ruch dyslokacji jest prawie niemożliwe (rysunek
12.10b).
Rysunek 12.10. Przemieszczanie dyslokacji a) w metalach, b) ceramice
kowalencyjnej, c) ceramice jonowej wg [13]
Strona 212
TWORZYWA CERAMICZNE
Kruchym zniszczeniem nazywa się takie, przy którym materiał ulega
dekohezji bez wystąpienia odkształceń plastycznych. Ilustruje to rysunek 12.11. Kruchość tworzyw ceramicznych jest ich największą wadą.
Wytrzymałość na rozciąganie niektórych materiałów ceramicznych jest
mniejsza od wytrzymałości stali. Można ją jednak poprawić wprowadzając do ceramiki drugą fazę o zwiększonej plastyczności, która poprzez odkształcenie plastyczne będzie zmieszać lokalną koncentrację
naprężeń.
Rysunek 12.11. Krzywa naprężenie – odkształcenie dla ceramiki
Drugą charakterystyczną cechą materiałów ceramicznych, z punktu
widzenia ich wytrzymałości mechanicznej, jest znaczna różnica ich
wytrzymałości przy różnych stanach obciążenia. Można przyjąć, że dla
tworzyw ceramicznych najmniejszą wartość uzyskuje wytrzymałość na
rozciąganie, natomiast wytrzymałość na zginanie jest od niej 3 razy
większa, a na ściskanie do 15 razy większa.
Właściwości wytrzymałościowe tworzyw ceramicznych w dużym stopniu zależą od ich mikrostruktury, a w szczególności od objętości, wielkości, kształtu porów, które z kolei są rezultatem procesu technologicznego ich wytwarzania Statystyczne rozmieszczenie defektów
i statystyczny rozkład ich wielkości w strukturze materiału powoduje, że
nie można określić wytrzymałościowych stałych materiałowych, można
jedynie wyznaczyć prawdopodobieństwo, że dana próba będzie miała
pewną określoną wytrzymałość. Ponieważ prawdopodobieństwo wystąpienia defektu o większych wymiarach jest większe w większej objętości, to wytrzymałość tworzyw ceramicznych zależna jest również od
objętości wyrobu. Tym również można wytłumaczyć większą wytrzymałość ceramiki na zginanie niż na rozciąganie. Przy rozciąganiu cała
próbka podlega naprężeniom rozciągającym, podczas gdy przy zginaniu
największe naprężenia rozciągające działają tylko w cienkiej warstwie
wierzchniej, czyli w mniejszej objętości.
Strona 213
ROZDZIAŁ 12
Prawdopodobieństwo przetrwania próbki Ps(Vo) poddanej działaniu
naprężenia σ opisuje zależność Weibull’a:
  σ m 
 
PS (VO ) = exp− 
  σ O  
Gdzie σo i m są stałe, m – moduł Weibull’a.
Jeśli do równania wstawimy σ = σo wówczas otrzymamy
Ps(Vo) = 1/e = 0,37. Oznacza to, iż dla naprężenia rozciągającego
równego σo, 37% próbek wytrzyma obciążenia. Im większa jest wartość
modułu Weibull’a, tym mniejszy jest rozrzut wytrzymałości materiału,
czyli tym większe jest prawdopodobieństwo, że duża liczba próbek jest
w stanie przetrwać. Wartość modułu dla stali wynosi 100, co oznacza,
iż jej wytrzymałość jest określona przez jedną wartość.
Właściwości cieplne ceramiki
Tworzywa ceramiczne, wyróżniają się wysoką żaroodpornością oraz
żarowytrzymałością, a także stabilnością termiczną.
Odporność ceramiki na nagłe zmiany temperatury – szok cieplny
określana jest wartością ∆T, przy której nie zachodzi zniszczenie
materiału.
Maksymalny dopuszczalny spadek temperatury można obliczyć ze
wzoru:
Eα∆T = Rm
gdzie: Rm – wytrzymałość materiału na rozciąganie, α – współczynnik
liniowej rozszerzalności.
Przy gwałtownym chłodzeniu próbki wierzchnia warstwa zostaje ochłodzona i jej skurcz wynosi α∆T, nie może ona jednak zmienić swoich
wymiarów, ponieważ jest częścią próbki, która jest jeszcze gorąca.
Dlatego też w warstwie wierzchniej postają naprężenia rozciągające,
jeżeli Eα∆T > Rm próbka ulega zniszczeniu (warstwa wierzchnia pęka).
Właściwości ceramiki technicznej
Charakterystyczne właściwości ceramiki kruchość oraz rozrzut właściwości wytrzymałościowych powodują, że stosowanie konstrukcyjnych
materiałów ceramicznych powinno podlegać pewnym zasadom minimalizującym wpływ ich wad na wytrzymałość konstrukcji.
Strona 214
TWORZYWA CERAMICZNE
Zasady konstrukcyjne:
•
unikanie rozwiązań, które mogą prowadzić do koncentracji
naprężeń,
•
zachowanie jednorodności strukturalnej,
•
w miarę możliwości minimalizacja gabarytów wyrobu.
Zasady eksploatacyjne:
•
unikanie obciążeń skoncentrowanych,
•
minimalizacja gwałtownych zmian temperatury dla ceramiki
o niskiej odporności na udary cieplne,
•
unikanie obciążeń udarowych.
Zasady wytwarzania:
•
opracowanie technologii zmniejszających wymiary zawartych w nich defektów,
•
wyselekcjonowanie i odrzucenie elementów zawierających
defekty o wymiarach znacznie przekraczających średnie,
•
precyzyjne sterowanie procesem technologicznym w celu
uzyskania jak najmniejszych rozrzutów wielkości defektów,
•
staranna i powolna obróbka mechaniczna powierzchni w celu minimalizacji defektów powierzchniowych.
Spełnienie tych zasad umożliwia szerokie zastosowanie ceramiki specjalnej w obszarach, gdzie istotna jest sztywność, twardość, odporność na
ścieranie oraz odporność na działanie wysokiej temperatury.
Przykładowe gatunki ceramiki specjalnej
Ceramika tlenkowa
Ceramika z Al2O3 nazywana jest ceramiką alundową. Źródłami tlenków glinu są boksyty, kaoliny oraz gliny. Najczęściej Al203 otrzymuje się
z uwodnionego tlenku aluminium (boksytu) poprzez rozdrobnienie
i wygrzanie w temperaturze 1150 °C. Występuje pięć odmian krystalograficznych Al203. Najtwardszą postacią jest odmiana α– Al203 –
Strona 215
ROZDZIAŁ 12
korund. Ceramika alundowa charakteryzuje się wysoką twardością
i umiarkowaną wytrzymałością.
Cechy ceramik z Al203:
•
gęstość ok. 3,9 Mg/m3,
•
moduł Younga E= 300÷420 GPa,
•
możliwość pracy w wysokich temperaturach, do 1700ºC,
•
odporność chemiczna na mocne kwasy i alkalia nawet w wysokich temperaturach,
•
wysoka wytrzymałość na zginanie Rg = 280÷400 MPa,
•
wysoka wytrzymałość na ściskanie Rc = 2000÷4000 MPa,
•
bardzo wysoka twardość 1700÷2000 HV0,5,
•
odporność na ścieranie,
•
stabilność wymiarowa,
•
dobre właściwości dielektryczne.
Zastosowanie ceramiki z Al2O3:
•
elementy konstrukcyjne maszyn i silników spalinowych,
•
narzędzia szybkotnące i skrawające do obróbki metali,
•
narzędzia ścierne,
•
elementy młynków kulowych,
•
implanty kostne,
•
uszczelki,
•
płytki obwodów scalonych.
Tlenek cyrkonu (ZrO2) podobnie jak tlenek glinu, jest materiałem
polimorficznym. Występują trzy odmiany alotropowe tlenku cyrkonu:
jednoskośna (5,6 Mg/m3), tetragonalna (6,1 Mg/m3) i regularna różniące
się gęstością. Zmiany objętości przy przejściu z jednej odmiany do
drugiej powodują komplikacje technologiczne przy produkcji związane
Strona 216
TWORZYWA CERAMICZNE
z pękaniem wyrobów. Dlatego też nie wytwarza się zaawansowanej ceramiki z czystego ZrO2. Przeprowadza się ich stabilizację poprzez otrzymywanie roztworów stałych tlenku cyrkonu z tlenkami MgO, CaO lub
Y2O3.
Ceramika cyrkonowa ZrO2 × Y2O3 charakteryzuje się:
•
gęstością ok. 5,98 Mg/m3,
•
modułem Younga E = 210 GPa,
•
możliwością pracy w wysokich temperaturach, do 1270ºC,
•
odpornością na działanie kwasów (oprócz H2SO4 i HF),
•
wysoką wytrzymałość na zginanie Rg = 950÷1050 MPa,
•
wysoką wytrzymałość na ściskanie Rc = 2200 MPa,
•
wysoką twardość 1250 HV0,5,
•
wysoką odpornością na kruche pękanie w temperaturze
otoczenia,
•
niską przewodnością cieplną,
•
dość dobrą odpornością na szoki cieplne.
Ze względu na odporność na kruche pękanie i wysoką wytrzymałość
na zginanie ceramika cyrkonowa należy do najlepszych konstrukcyjnych
tworzyw ceramicznych w szczególności na:
•
elementy turbin cieplnych,
•
elementy zaworów i pomp,
•
pierścienie ślizgowe i oporowe,
•
elementy maszyn w przemyśle tekstylnym,
•
noże,
•
elementy młynków kulowych,
•
matryce i tłoczniki do prasowania i tłoczenia,
•
biomateriały stosowane w protetyce,
Strona 217
ROZDZIAŁ 12
•
materiał ogniotrwałe.
Materiały ceramiczne nietlenkowe: węgliki, borki i azotki charakteryzują się:
•
bardzo wysoką twardością,
•
wysoką odpornością na ścieranie,
•
wysoką wytrzymałością i odpornością na korozję także
w wysokich temperaturach ,
Węglik krzemu SiC (karborund), w przyrodzie występuje, jako rzadki
minerał moissanit. Na skale przemysłową otrzymywany jest w wyniku
reakcji krzemionki (SiO2) i węgla przeprowadzanej w piecach oporowych w temperaturze ok. 2000 °C oraz poprzez wysokotemperaturową
syntezę samorozwijającą umożliwiającą łączenie procesu wytwarzania
proszków i prasowania na gorąco.
Cechują go wysoka twardość, a tym samym wysoka odporność na
ścieranie oraz wysokotemperaturowa wytrzymałość do 1400 °C.
Właściwości ceramiki karborundowej spiekanej pod ciśnieniem
izostatycznym.
•
gęstość ok. 3,21 Mg/m3,
•
moduł Younga E = 450 GPa,
•
możliwość pracy w wysokich temperaturach do 1920ºC,
•
odporność na działanie kwasów,
•
wysoka wytrzymałość na zginanie Rg = 600÷700 MPa,
•
wysoka wytrzymałość na ściskanie Rc = ok. 2000 MPa,
•
bardzo wysoka twardość 2500 HV0,5,
•
wysoka odporność na ścieranie
•
bardzo dobre przewodnictwo cieplne
Zastosowanie tworzyw ceramicznych wykonanych z SiC:
•
Strona 218
· łożyska ślizgowe oraz toczne,
TWORZYWA CERAMICZNE
•
pierścienie ślizgowe, oporowe i uszczelniające,
•
elementy maszyn: wirniki, dysze, elementy mielące i
zawory,
•
materiały ścierne i polerskie (SiC często w postaci proszkowej),
•
elementy konstrukcji pieców komorowych i tunelowych do
wypalania ceramiki, płyty do wypalania wyrobów,
•
elementy półprzewodnikowe,
•
diody emitujące światło niebieskie.
Azotek krzemu Si3N4 na skalę przemysłową otrzymywany jest
w procesach:
•
syntezy przez azotowanie krzemu w piecach oporowych,
•
syntezy przez azotowanie krzemu w plazmie,
•
samorozwijającej się wysokotemperaturowej syntezy,
•
syntezy w fazie gazowej.
Proszki Si3N4 trudno się spiekają, ponieważ dyfuzyjne procesy w sieci
ulegają szybkiemu zahamowaniu. Dlatego też do wytwarzania ceramiki
z azotku krzemu wykorzystywane jest spiekanie pod cienieniem
w temperaturze do 1800 °C. W zależności od stosowanej metody syntezy
oraz sposobu wytwarzania spieku, ceramika z Si3N4 uzyskuje różne
właściwości:
•
gęstość ok. 2,4÷3,3 Mg/m3,
•
moduł Younga E = 100÷350 GPa,
•
temperaturę pracy do 1520÷1720ºC,
•
odporność na działanie wielu czynników chemicznych,
•
wysoką wytrzymałość na zginanie Rg = 600÷1500 MPa,
•
wysoką wytrzymałość na ściskanie Rc = ok 1000÷3000 MPa,
•
wysoką twardość 1600 HV0,5,
Strona 219
ROZDZIAŁ 12
•
bardzo dobrą odporność na szoki cieplne,
•
odporny na utlenianie do temperatury 1300 °C,
•
wysoką odporność na pełzanie.
Zastosowanie ceramika z Si3N4:
•
łopatki turbin,
•
elementy silników Diesla,
•
świece żarowe,
•
komory wirowe,
•
turbosprężarki doładowujące,
•
zawory regulacyjne,
•
narzędzia skrawające,
•
elementy silników rakietowych,
•
łożyska.
Azotek boru występuje w trzech odmianach krystalicznych :
α – heksagonalna (grafitopodobna), charakteryzuje się małą twardością
β – regularna (diamentopodobna), o bardzo dużej twardości, nazywana
borazonem, γ – romboedryczna, właściwości tej odmiany są słabo
poznane.
Heksagonalny azotek boru, ze względu na małą twardość nie znajduje
zastosowania w obróbce skrawaniem. Dopiero po przemianie struktury
heksagonalnej w regularną w wyniku wysokotemperaturowego – ciśnieniowego procesu, azotek boru uzyskuje właściwości, dzięki którym jest
zaliczany do najlepszych materiałów narzędziowych. Azotek boru
o strukturze regularnej jest drugim po diamencie najtwardszym materiałem narzędziowym.
Właściwości ceramiki z azotku boru β – BN
Strona 220
•
gęstość ok. 2,45 Mg/m3,
•
duża wytrzymałość mechaniczna w wysokich temperaturach,
TWORZYWA CERAMICZNE
•
możliwość pracy do 1950°C,
•
bardzo wysoka twardość, bliska twardości diamentu,
•
wysoka odporność chemiczna,
•
właściwości półprzewodnikowe,
•
cena regularnego β – BN jest wyższa od ceny diamentu!
Zastosowanie ceramika z azotku boru BN
•
narzędzia skrawające,
•
smary wysokotemperaturowe (BN heksagonalny);
•
elementy pieców próżniowych (ze względu na odporność
temperaturową do ponad 2000ºC w próżni i atmosferze gazów obojętnych)
•
środki antyadhezyjne i smarujące
•
warstwy chroniące gorące aluminium przed przywieraniem
do powierzchni metalowych.
Strona 221
ROZDZIAŁ 12
Strona 222
`
13
Polimery
W tym rozdziale:
o
o
o
o
Klasyfikacja polimerów
Budowa makrocząsteczek i struktura polimerów
oraz ich wpływ na właściwości
Mechanizm odkształcenia polimerów
Charakterystyka elastomerów i plastomerów
ROZDZIAŁ 13
Polimery to związki wielkocząsteczkowe, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami. Mery są grupami tych
samych i tak samo powiązanych atomów.
Olbrzymie zainteresowanie polimerami jak i bardzo szybki rozwój przemysłu związanego z przetwórstwem tworzyw sztucznych wynika przede
wszystkim z:
•
niskiej ceny surowców i gotowych wyrobów,
•
dostępności surowców,
•
łatwości kształtowania wyrobów o skomplikowanych kształtach i estetycznym wyglądzie,
•
stosunkowo dużej odporności chemicznej,
•
izolacyjnych właściwości cieplnych i elektrycznych,
•
małej gęstości, a przez to korzystnego stosunku wytrzymałości mechanicznej do gęstości,
•
możliwość wytwarzania z wykorzystaniem polimerów wysokowytrzymałych materiałów kompozytowych.
Podstawowym ograniczeniem stosowania polimerów jest niewielka wytrzymałość, sztywność, twardość oraz skłonność do odkształcenia pod
stosunkowo niewielkim obciążeniem (pełzanie) nawet w temperaturze
pokojowej oraz podatność na degradację pod wpływem promieni UV.
Rysunek 13.1. Rozwój światowej produkcji materiałów polimerowych
wg [11]
Strona 224
POLIMERY
Klasyfikacja polimerów
W klasyfikacji polimerów brane są pod uwagę bardzo różne kryteria. Ze
względu na zachowanie pod wpływem obciążeń polimery dzielimy na
plastomery i elastomery.
Rysunek 13.2. Klasyfikacja polimerów
Ze względu na pochodzenie polimery klasyfikowane są jako:
•
polimery naturalne wytwarzane przez organizmy żywe (celuloza, białka, kwasy nukleinowe, kauczuk naturalny),
•
polimery modyfikowane, polimery naturalne, które zostały
sztucznie zmodyfikowane chemicznie,
•
polimery syntetyczne wytwarzane na drodze syntezy chemicznej.
Natomiast ze względu na skład polimery dzielimy na:
•
homopolimery – makrocząsteczki polimeru zbudowane są
z jednego rodzaju merów,
•
kopolimery – makrocząsteczki zbudowane są, z co najmniej
dwóch merów.
Strona 225
ROZDZIAŁ 13
Głównym powodem otrzymywania kopolimerów są ich szczególne
właściwości fizyczne, których nie mogą posiadać homopolimery i ich
proste mieszaniny zawierające te same mery.
Kolejna klasyfikacja odnosi się do rodzaju reakcji otrzymywania polimerów.
Surowcami do otrzymywania polimerów syntetycznych są przede
wszystkim ropa naftowa oraz gaz ziemny i węgiel kamienny.
Polimery otrzymujemy w wyniku łączenia prostych cząsteczek tego samego związku chemicznego (monomerów) w makrocząsteczki o dużym
ciężarze cząsteczkowym. Monomery łączą się ze sobą lub innymi cząstkami dzięki występowaniu w nich, co najmniej dwóch ośrodków reaktywnych (wiązanie nienasycone, grupy chemiczne, pierścienie reaktywne) tworząc długie łańcuchy powtarzających się merów.
Reakcje łączenia monomerów w makrocząsteczki polimerów syntetycznych to:
•
polimeryzacja, która polega na tworzeniu makrocząsteczek
w wyniku połączenia cząsteczek tego samego typu,
•
kopolimeryzacja, w czasie której tworzone są makrocząsteczki kopolimerów w wyniku przyłączania dwu lub więcej
rodzajów monomerów,
•
polikondensacja, która jest reakcją dwuetapową, w pierwszym etapie następuje reakcja chemiczna z wydzieleniem
produktu ubocznego, który należy usunąć, natomiast w drugim łączenie merów (mer w polimerze ma nieco inny skład
od substancji wyjściowej).
Budowa makrocząsteczek i struktura
polimerów oraz ich wpływ na właściwości
polimerów
Właściwości polimerów w dużym stopniu zależne są od budowy
makrocząsteczek oraz struktury polimeru, a w szczególności od:
Strona 226
•
wielkości sił działających między cząsteczkami,
•
ciężaru cząsteczkowego (długość makrocząsteczki),
POLIMERY
•
konfiguracji i giętkości makrocząsteczek (możliwość obrotu,
łańcucha i podatność na wyginanie),
•
stopnia krystalizacji struktury polimeru.
Przykładem homopolimeru jest polipropylen. Na rysunku 13.3 przedstawiono schemat reakcji polimeryzacji etylenu oraz schemat makrocząsteczki polietylenu i polistyrenu.
Rysunek 13.3. Schemat a) reakcji polimeryzacji etylenu,
b) makrocząsteczki polietylenu, c) makrocząsteczki polistyrenu
Liczba merów w makrocząsteczce określa stopień jego polimeryzacji
i wpływa na długość i ciężar cząsteczkowy polimeru, co z kolei ma istotny wpływ na jego właściwości. Wraz ze wzrostem średniego ciężaru
cząsteczkowego wzrasta między innymi: wytrzymałość, lepkość oraz
temperatura mięknięcia polimeru. Wynika z tego, że próbki tego samego
polimeru różniące się wielkością i ciężarem makrocząsteczek charakteryzują się różnymi właściwościami. Jest to istotne z punku widzenia
określania stałych materiałowych danego tworzywa, które mogą być
różne nawet dla poszczególnych partii tego samego polimeru. Efekt ten
związany jest ze statystycznym charakterem reakcji.
Strona 227
ROZDZIAŁ 13
Wszystkie polimery zbudowane są z długich cząstek składających się
z monomerów połączonych w łańcuchy główne za pomocą chemicznych
wiązań kowalencyjnych. Łańcuchy mogą być liniowe, rozgałęzione lub
usieciowane (rysunek 13.4). W polimerach liniowych i rozgałęzionych
łańcuchy połączone są między sobą za pomocą znacznie słabszych
drugorzędowych wiązań międzycząsteczkowych, takich jak siły
van der Waalsa oraz wiązania wodorowe.
Słabe wiązania między łańcuchami umożliwiają łatwe przemieszczanie
się łańcuchów względem siebie pod wpływem przyłożonego obciążenia,
a tym samym dobrą odkształcalność polimerów o budowie liniowej.
Rysunek 13.4. Konfiguracja makrocząsteczek polimerów a) liniowa,
b) rozgałęziona, c) usieciowana
Natomiast polimery usieciowane charakteryzuje się występowaniem
kowalencyjnych sieciujących wiązań poprzecznych, które usztywniają
strukturę polimeru, znacząco redukując jego zdolność do odkształceń.
Wraz ze stopniem sieciowania wzrasta sztywność polimerów.
Makrocząsteczki polimeru zawierające podstawniki (np. polistyren
R = C6H5) mogą charakteryzować się regularnym lub nieregularnym
rozmieszczeniem podstawników w łańcuchach. W przypadku braku
regularności polimer nazywamy ataktycznym, natomiast w przypadku
regularnej budowy makrocząsteczki wyróżniamy dwa typy polimerów:
Strona 228
•
izotaktyczny – jednakowe podstawniki znajdują się po jednej stronie płaszczyzny łańcucha głównego,
•
syndiotaktyczny – jednakowe podstawniki są rozmieszczone
regularnie naprzemian po obu stronach płaszczyzny łańcucha głównego (polistyren – rysunek 13.3c).
POLIMERY
Taktyczność polimerów decyduje o strukturze polimeru, a tym samym
w istotny sposób wpływa na ich właściwości wytrzymałościowe, temperaturę mięknięcia i krzepnięcia, gęstość, lepkość i wiele innych. Regularna budowa makrocząsteczki sprzyja krystalizacji najłatwiej krystalizują
polimery izotaktyczne. W wielu przypadkach polimery taktyczne zwykle
mają lepsze właściwości z punktu widzenia potencjalnych zastosowań
niż polimery ataktyczne.
Specyfika sił międzyatomowych i międzycząsteczkowych występujących w polimerach powoduje, że niezwykle ważny jest wpływ budowy
przestrzennej na właściwości polimeru.
Ze względu na sposób rozmieszczenia atomów w przestrzeni polimery
można podzielić na całkowicie bezpostaciowe (amorficzne) oraz krystaliczne.
Polimery częściowo krystaliczne
Polimery nie osiągają 100% uporządkowania struktury. Z reguły obszary
o strukturze krystalicznej oddzielone są obszarami amorficznymi. Krystality w polimerach zbudowane są z pozaginanych łańcuchów zwanych
lamelami lub z ułożonych równolegle wyprostowanych sygnetów makrocząsteczek zwanych fibrylami, co przedstawiono na rysunku 13.5.
Objętościowy stosunek fazy krystalicznej do fazy bezpostaciowej nosi
nazwę stopnia krystalizacji polimeru.
Rysunek 13.5. Schemat polimeru a) o strukturze amorficznej,
b) częściowo krystalicznej
Na skłonność polimerów do krystalizacji istotny wpływ ma budowa
i konfiguracja makrocząsteczek. Krystalizację utrudniają:
•
duża masa cząsteczkowa (długie łańcuchy),
Strona 229
ROZDZIAŁ 13
•
duża liczba rozgałęzień,
•
duże i asymetryczne grupy boczne.
Najłatwiej krystalizują polimery liniowe, które nie zawierają żadnych
podstawników i dlatego wraz z obniżeniem temperatury mogą tworzyć
gęsto upakowaną strukturę o znacznej regularności. Ma to korzystny
wpływ na wytrzymałość polimeru, ponieważ duża gęstość upakowania
łańcuchów i mała objętość swobodna powoduje zbliżenie makrocząsteczek, co z kolei wywołuje powstanie silniejszych wiązań pomiędzy łańcuchami. Skutkiem tego jest zwiększenie wytrzymałości, sztywności
oraz temperatury mięknięcia polimeru.
Krystalizacja polimeru powoduje gwałtowne zmniejszenie jego objętości, a tym samym również innych jego właściwości.
Temperatura topnienia (Tt) polimerów zawierających pewien udział fazy
krystalicznej jest temperaturą przemiany fazy krystalicznej w amorficzna
(faza amorficzna + faza krystaliczna → faza amorficzna). W odróżnieniu
od metali temperatura Tt dla polimerów częściowo krystalicznych (max
zawartość fazy krystaliczne wynosi 80%) jest nieco rozmyta i określa się
ją, jako temperaturę, w której całkowicie znika faza krystaliczna
(rysunek 13.6). W temperaturze tej polimer przechodzi w stan lepkopłynny.
Rysunek 13.6. Zmiana objętości w funkcji temperatury a) metali,
b) polimerów częściowo krystalicznych.
Polimery amorficzne
Większość polimerów w stanie stałym ma strukturę amorficzną. Cechuje
je brak uporządkowania budowy przestrzennej, a tym samym mała gęstość. Krystalizację utrudniają duże podstawniki, rozgałęzienia i sieciowanie makrocząsteczek.
Strona 230
POLIMERY
Na rysunku 13.7 przedstawiono zmianę objętości polimeru amorficznego
w funkcji temperatury. Wraz ze zmniejszaniem temperatury zmniejsza
się energia ruchów cieplnych i zanika objętość swobodna. Temperaturę,
w której objętość swobodna staje się równa zero nazywamy temperaturą
zeszklenia Tg (rysunek 13.7). Poniżej tej temperatury wiązania drugorzędowe wiążą makrocząsteczki w ciało stałe i polimer uzyskuje strukturę
szklistą (nazwa pochodzi od amorficznej struktury szkła).
Rysunek 13.7. Zmiana objętości w funkcji temperatury polimeru
amorficznego
Temperatura zeszklenia dla polimerów jest tak ważna jak temperatura
topnienia dla metali. Powyżej Tg wiązania drugorzędowe rozrywają się,
umożliwiając ruch makrocząsteczek i w konsekwencji następuje znaczne
zmniejszenie sztywności polimeru.
Tabela 13.1. Przykładowe temperatury zeszklenia
Rodzaj polimeru
Tg [°°C]
Polietylen PE
– 120
Guma naturalna
– 70
Polipropylen (PP)
– 10
Polistyren (PS)
80
W zależności od tego czy temperatura zeszklenia polimeru amorficznego
jest powyżej, czy poniżej temperatury pokojowej, polimery uzyskują
rożne właściwości w temperaturach użytkowania.
Strona 231
ROZDZIAŁ 13
Mechanizm odkształcania polimerów
Pod wpływem obciążenia np. naprężeń rozciągających w polimerach
mogą występować pojedynczo lub jednocześnie wszystkie rodzaje
odkształceń: sprężyste, wysokoelastyczne i plastyczne. Udział poszczególnych odkształceń zależny jest od temperatury, czasu i wartości naprężenia. Co za tym idzie właściwości mechaniczne polimerów również
w dużej mierze zależne są od temperatury i czasu. Jest to szczególnie
ważne, ponieważ zmiany zachodzą w temperaturach bliski temperaturom
ich użytkowania. Polimery pod obciążeniem odkształcają się coraz bardziej wraz ze wzrostem czasu obciążenia (t) i temperatury (T). Dlatego
zwykle mówi się o czasowej i temperaturowej zależności modułu
Younga E (t,T).
Amorficzne polimery liniowe wg [13] wykazują następujące zakresy
temperaturowych odkształceń:
•
zakres stanu sprężystego (szklistego), charakteryzujący się
dużą wartością modułu ok. 3 GPa
•
zakres stanu (lepkosprężystego) przemiany w temperaturze
zeszklenia, w którym moduł gwałtownie maleje od 3 GPa
do 3 MPa
•
zakres stanu wysokoelastycznego, charakteryzujący się małą
wartością modułu, ok. 3 MPa,
•
zakres stanu lepkopłynnego, w którym polimer zaczyna
płynąć,
•
zakres powyżej temperatury rozkładu, w której rozpoczyna
się rozkład termiczny.
Zakresy te rozdzielone są przez temperatury przemiany stanu:
(Tg – temperaturę zeszklenia, Tp – temperaturę płynięcia oraz
Tr – temperaturę rozkładu) i są charakterystyczne dla danego polimeru.
W przypadku polimerów o dużym stopniu usieciowania struktury nie
występuje temperatura Tp, a dla polimerów krystalicznych Tg ≈ Tp.
Każdy ze stanów wiąże się z określonymi właściwościami mechanicznymi polimeru.
Strona 232
POLIMERY
Stan sprężysty (szklisty) (T << Tg) o wysokim module Younga
W temperaturach znacznie poniżej Tg polimery są w stanie sprężystym.
W tym stanie nie jest możliwa zmiana konfiguracji merów i segmentów,
ponieważ energia układu jest mniejsza od sił wiążących makrocząsteczki. W polimerze pod wpływem działających naprężeń zwiększają się
odległości międzyatomowe i następuje niewielkie odkształcenie sprężyste. Charakter przełomu jest kruchy. Dla polimerów silnie usieciowanych
stan ten jest jedynym, w jakim one występują.
W przypadku polimerów termoplastycznych w temperaturze niższej od
Tg może występować zmiana stanu ze sprężystego na sprężysty z wymuszoną elastycznością (lepkosprężysty). Na rysunku 13.8 przedstawiono
przebieg krzywej rozciągania na której widoczny jest zakres odkształcenia lepkosprężystego. W początkowym etapie rozciągania polimer odkształca się sprężyście.
Rysunek 13.8. Krzywa naprężenie – odkształcenie dla polimeru
liniowego rozciąganego w temperaturze pokojowej (temperatura
mniejsza od temperatury zeszklenia o ok. 50°C) wg [13]
Zależność odkształcenie od naprężenia jest zgodna z prawem Hooke’a.
Następnie ulega odkształceniu plastycznemu – przy wartości naprężenia
σ1 łańcuchy zaczynają się wyciągać ze splątań, ulegają wyprostowaniu
i orientacji zgodnie z kierunkiem działającego naprężenia. Naprężnie
rozciągające wymuszają obroty merów i fragmentów makrocząsteczek,
dzięki czemu możliwe jest znaczne odkształcenie próbki. W rozciąganej
próbce tworzy się szyjka, która po rozprostowaniu włókien obejmuje
całą próbkę. Próbka wykazuje anizotropowość właściwości mechanicznych na całej długości. Po wydłużeniu zwiększa się w kierunku rozciąStrona 233
ROZDZIAŁ 13
gania (równolegle do włókien) wytrzymałość próbki, ponieważ obciążenia przenoszone są za pośrednictwem silnych wiązań kowalencyjnych
między atomami w łańcuchu głównym. Do dalszego odkształcenia potrzebny jest znaczny wzrost naprężenia. Takie umocnienie przez rozciąganie jest często stosowane do wytwarzania wysokowytrzymałych włókien polimerowych.
Zakres stanu wysokoelastycznego (spadek modułu Younga)
Jak już wcześniej podano w temperaturze zeszklenia (Tg) następuje rozpad wiązań drugorzędowych. Stwarza to możliwość zachodzenia zmian
we wzajemnym położeniu poszczególnych segmentów łańcuchów.
W miarę wzrostu temperatury powyżej Tg polimer zwiększa swoją objętość swobodną umożliwiając obroty i przemieszczanie coraz większych
fragmentów makrocząsteczek, w wyniku, czego następuje znaczne
zmniejszenie modułu Younga. Lecz nadal niemożliwe jest przesuniecie
całych makrocząsteczek względem siebie. Miejsca „zakotwiczeń” łańcuchów powodują, że po zdjęciu obciążenia polimer powraca do stanu
wyjściowego (odkształcenia sprężyste). W przypadku polimerów o krótkich łańcuchach wraz ze wzrostem temperatury następuje całkowity zanik wiązań między łańcuchami i polimer przechodzi do stanu lepkopłynnego. Natomiast w przypadku długich łańcuchów polimer przechodzi
przez stan wysokoelastyczny, który jest wywołany splątaniem makrocząsteczek (łańcuchy nie mogą się przenikać). W trakcie odkształcenia segmenty między miejscami splątań (węzłami) rozprostowują się wywołując znaczne odkształcenia elastyczne, odwracalne po zdjęciu obciążenia.
Odkształcenia sprężyste zanikają, natomiast mogą się pojawić w pewnym niewielkim zakresie odkształcenia plastyczne.
Zakres stanu lepkopłynnego
W temperaturze płynięcia wiązania drugorzędowe rozpadają się całkowicie i przemieszczają się nawet miejsca splątań. W stanie lepkopłynnym
odbywają się ciągłe zmiany położeń makrocząsteczek. Dzieje się tak, ponieważ energia ruchu cieplnego przewyższa energię oddziaływań międzycząsteczkowych, a dzięki objętości swobodnej makrocząsteczki mogą przemieszczać się względem siebie, umożliwiając lepkie płynięcie
polimeru.
Znajomość charakterystycznych temperatur polimerów amorficznych Tg,
Tp i Tr daje możliwość optymalnego dobrania tych materiałów do zadanych warunków pracy oraz umożliwia określenie temperatur ich przetwarzania.
Strona 234
POLIMERY
Stan, w jakim znajduje się polimer, a tym samym temperatura, ma bezpośredni wpływ na charakter krzywej zamiany odkształcenia w funkcji
naprężania rozciągającego. Na rysunku 13.9 przestawiono krzywe rozciągania dla polimerów w temperaturze wyższej i niższej od temperatury
zeszklenia.
Rysunek 13.9. Krzywe naprężenie – odkształcenie dla polimerów
w temperaturze powyżej i poniżej temperatury zeszklenia
Charakterystyka elastomerów i plastomerów
Termoplasty to tworzywa zbudowane z liniowych makrocząsteczek
(rzadziej rozgałęzionych). Łańcuchy nie są sieciowane. Temperatura zeszklenia plastomerów jest wyższa od temperatury pokojowej, a zatem
zakres temperatury ich użytkowania znajduje się w obszarze stanu
szklistego. Tworzywa termoplastyczne są twarde i kruche tylko w temperaturach użytkowania natomiast w podwyższonych temperaturach
miękną i płyną zmieniając kształt. Zjawisko to jest odwracalne. Podczas
ogrzewania rozpadają się drugorzędowe wiązania między łańcuchami
i dlatego polimer uzyskuje właściowści lepkiego płynu, co umożliwia
jego formowanie. Proces formownia przeprowadza się w podwyższonych temperaturach przez tłoczenie lub wtryskiwanie, a następnie
szybkie chłodzenie. Po zmniejszeniu temperatury polimer powraca do
stanu szklistego. W przeciwieństwie do duroplastów, termoplasty można
przetwarzać wielokrotnie jednak zazwyczaj po każdym przetworzeniu,
na skutek zjawiska degradacji, pogarszają się ich właściwości użytkowe
i mechaniczne. W temperaturze pokojowej wykazują nieznaczne odkształcenie pod niewielkim obciążeniem, a pod wpływem wzrastającego
naprężenia zaczynają odkształcać się plastycznie, aż do mechanicznego
zniszczenia. Do najczęściej stosowanych tworzyw termoplastycznych
zaliczamy:
Strona 235
ROZDZIAŁ 13
•
polietylen (PE),
•
polipropylen (PP),
•
polistyren (PS) oraz wersja wysokoudarowa (HIPS),
•
polichlorek winylu (PVC),
•
poli(tlenek metylenu) (PMO),
•
poli(tereftalan etylenu) (PET),
•
polimetakrylan metylu (PMMA).
W zależności od rodzaju struktury, a co za tym idzie i właściwości technologicznych można je podzielić na: termoplasty amorficzne i krystaliczne. Uporządkowanie struktur polimerów ma korzystny wpływ na wytrzymałość polimeru, zwiększa jego wytrzymałość, sztywność i temperaturę mięknięcia (odporność cieplną).
Zatem celowo stosuje się operacje technologiczne zwiększające stopień
krystalizacji polimeru. Na przykład modyfikacja procesu otrzymywania
polietylenu daje możliwość uzyskania materiału o dużej gęstości zawierającego nawet 90% fazy krystalicznej. Taki polimer nosi nazwę
polietylenu o dużej gęstości (HDPE – high density polyethylene), w odróżnieniu od mniej wytrzymałego i sztywnego polietylenu o małej gęstości (LDPE – low density polyethylene).
Duroplasty są tworzywami polimerowymi, których struktura w podwyższonej temperaturze (polimery termoutwardzalne) lub pod wpływem
czynników chemicznych (polimery chemoutwardzalne) ulega sieciowaniu. Są ona zazwyczaj gęsto sieciowane, a mocne kowalencyjne wiązania poprzeczne usztywniają strukturę polimeru. Jest to proces nieodwracalny, dlatego też nie ma możliwości powtórnego ich formowania. Duroplasty charakteryzują się wysoką sztywnością oraz stabilnością wymiarową oraz kruchością, którą zmienia się poprzez stosowanie odpowiednich napełniaczy. Typowymi duroplastami są poliepoksydy i poliestry
powszechnie stosowane, jako osnowa do produkcji kompozytów wzmacnianych włóknami. Ponadto stosuje się je do produkcji tworzyw piankowych klejów, lakierów itp.
Elastomery – są grupą polimerów prawie liniowych o małej gęstości
sieciowania. Temperatura zeszklenia elastomerów znajduje się poniżej
temperatury pokojowej, a tym samym zakres temperatur ich użytkowania znajduje się w obszarze stanu wysokoelastycznego. Dlatego też chaStrona 236
POLIMERY
rakteryzują się one zdolnością do dużych odwracalnych odkształceń zachodzących pod wpływem działającego naprężenia rozciągającego,
ściskającego lub ścinającego. Niektóre polimery uzyskują przy rozciąganiu odkształcenie równe 1000% bez zerwania próbki. Węzły sieci chemicznej uzyskane w wyniku sieciowania stanowią punkt kotwiczenia
deformujących się giętkich łańcuchów i z jednej strony ograniczają odkształcenia plastyczne, a z drugie powodują, że odkształcenia są odwracalne.
Do grupy tworzyw elastomerowych zaliczamy gumę (kauczuk wulkanizowany) i liniowe elastomery termoplastyczne. Materiał polimerowy
wykazujący cechy elastomeru termoplastycznego składa się z co najmniej dwóch faz (miękkiej i twardej) różniących się znacznie temperaturami zeszklenia i topnienia. Fazę miękką tworzą łańcuchy polimeru (segmentu) o dużej ruchliwości molekularnej, natomiast faza twarda (o dużej
sztywności pełni funkcję węzłów sieci.
Degradacja polimerów jest wynikiem pękania łańcuchów polimerów
i tworzenia się mniejszych cząsteczek. Degradacja polimerów może być
spowodowana przez promieniowanie świetlne lub jonizujące, względnie
działanie tlenu albo innego czynnika chemicznego. Zmienia właściwości
fizykochemiczne polimerów: zmniejsza ciężar cząsteczkowy, wytrzymałości i lepkości. W wyniku degradacji następuje również zmatowienie,
spękanie i zmiana koloru powierzchni.
Strona 237
ROZDZIAŁ 13
Strona 238
`
14
Kompozyty
W tym rozdziale:
o
o
o
o
o
Klasyfikacja kompozytów
Kompozyty wzmacniane włóknami
Właściwości kompozytów wzmacnianych włóknami
Składniki strukturalne kompozytów polimerowych
wzmacnianych włóknami
Kompozyty wzmacniane cząstkami
ROZDZIAŁ 14
Kompozyt jest materiałem utworzonym, z co najmniej dwóch komponentów o różnych właściwościach mającym lepsze lub inne właściwości
niż każdy ze składników oddzielnie lub ich mieszanina. Jest materiałem
niejednorodnym z widocznymi granicami między komponentami. Niejednokrotnie właściwości kompozytu są korzystniejsze niż suma właściwości jego poszczególnych komponentów. Występowanie efektu synergii spowodowało szybki rozwój kompozytów, jako nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych.
Klasyfikacja kompozytów
W zależności od pochodzenia kompozyty można podzielić na:
•
kompozyty naturalne utworzone przez przyrodę na drodze
ewolucji, wszędzie tam gdzie niezbędne było przenoszenie
dużych obciążeń (drewno, kości itp.),
•
kompozyty wytworzone przez człowieka.
Podstawą klasyfikacji kompozytów jest rodzaj materiałów użytych do
ich wytworzenia. Współczesna technika wykorzystuje kompozyty zawierające komponenty metalowe, ceramiczne i polimerowe.
Rys 14.1. Klasyfikacja kompozytów ze względu na rodzaj materiału
zastosowanych komponentów
Otrzymywane są również kompozyty metal – metal, polimer –polimer
oraz ceramika – ceramika, przy czym kompozyty ceramika – polimer
dominują na rynku materiałów kompozytowych.
Strona 240
KOMPOZYTY
Kompozyty konstrukcyjne składają się z osnowy i umieszczonego w niej
drugiego składnika (zbrojenia) o lepszych właściwościach mechanicznych.
Rys 14.2. Klasyfikacja kompozytów ze względu na:
przeznaczenie, rodzaj osnowy i zbrojenia
Strona 241
ROZDZIAŁ 14
Opracowanie nowej grupy materiałów, jakimi są kompozyty spowodowane było poszukiwaniem materiałów konstrukcyjnych o coraz większej
wytrzymałości i sztywności z jednoczesną możliwością uzyskania jak
najmniejszej gęstości.
Kompozyty wzmacniane włóknami
Najbardziej rozpowszechnionymi i najczęściej stosowanymi kompozytami konstrukcyjnymi są kompozyty wzmacniane włóknami, o osnowie
polimerowej, a w szczególności laminaty. Laminat składa się z kolejno
ułożonych warstw zbrojenia oraz osnowy, która spaja zbrojenie i umożliwia przeniesienie obciążenia na włókna. Kompozyty mogą się różnić
materiałem, z którego wykonane są poszczególne komponenty.
Właściwości kompozytów konstrukcyjnych można kształtować przez
dobór materiału na wzmocnienia i osnowę, co przedstawiono na rysunku 14.3.
Rysunek 14.3. Schemat projektowania uwzględniający dobór materiałów
na składniki kompozytu
Poza doborem materiałów o żądanych właściwościach istotnym, elementem jest również zaprojektowanie kształtu oraz rozkładu elementów
wzmacniających tak, aby uzyskać maksymalne wykorzystanie cech poszczególnych komponentów.
Strona 242
KOMPOZYTY
Osnowa kompozytu pełni następujące funkcje:
•
łączy zbrojenie i nadaje wyrobom żądany kształt,
•
przenosi naprężenie zewnętrzne na zbrojenie,
•
zabezpiecza zbrojenie przed uszkodzeniami mechanicznymi,
•
zapewnia wytrzymałość na ściskanie,
•
zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć.
Zbrojenie natomiast zapewnienia kompozytowi wysokie właściwości
wytrzymałościowe i wzmocnienie osnowy w selektywnych kierunkach.
Podstawową zaletą kompozytów jest możliwość zaprojektowania i odpowiedniego dobrania ich wytrzymałości i sztywności, które zależne są od:
•
wytrzymałości (Rm), sztywności wzmocnień – najczęściej
włókna (E),
•
sztywności osnowy (E),
•
wytrzymałości połączenia adhezyjnego osnowy ze zbrojeniem,
•
udziału objętościowego osnowy i zbrojenia,
•
geometrii, rozkładu i orientacji wzmocnienia,
•
liczby i wielkości defektów w strukturze kompozytu.
Kompozyty konstrukcyjne o osnowie polimerowej wzmacniane włóknami charakteryzują się:
•
wysoką wytrzymałością i sztywnością,
•
niskim ciężarem właściwym,
•
wysoką wytrzymałością i sztywnością względną,
•
odpornością na korozję,
•
stosunkowo prostą technologią wytwarzania.
Strona 243
ROZDZIAŁ 14
Natomiast do wad tych kompozytów można zaliczyć:
•
utratę spójności osnowy z włóknem (rozwarstwienie kompozytu),
•
wyboczenie włókien powodujące zmniejszenie wytrzymałości na ściskanie,
•
technologię wytwarzania, która sprzyja powstawaniu wad
inicjujących pęknięcia.
Właściwości kompozytów wzmacnianych
włóknami ciągłymi
Moduł sprężystości (E)
W kompozycie o jednokierunkowym rozkładzie włókien, przy założeniu
doskonałej spójności na granicy włókno – osnowa, można rozpatrywać
dwa skrajne przypadki obciążenia:
•
naprężenia rozciągające są równolegle do osi włókien,
•
naprężenia rozciągające są prostopadle do osi włókien.
Rysunek 14.4. Kompozyt o jednokierunkowym rozkładzie włókien
obciążony: a) równolegle do osi włókien, b) prostopadle do osi włókien
Strona 244
KOMPOZYTY
Z przestawionych zależności na wartość modułu Younga dla kompozytu
włóknistego wynika, że jest on materiałem anizotropowym. Wartość
modułu sprężystości zmienia się w zależności od orientacji włókna
względem kierunku działania naprężenia, przyjmując wartość maksymalną, gdy naprężenia działają w kierunku równoległym do włókien
i minimalne w kierunku prostopadłym do włókien. Ponadto z przestawionych równań wynika, iż sztywność kompozytu zależy od modułu
sprężystości osnowy i włókna, oraz od udziału objętościowego włókna
w osnowie.
Rysunek 14.5. Zależność modułu Younga kompozytów włóknistych
w zależności od orientacji włókna względem kierunku działania
naprężenia wg [13]
Wytrzymałość na rozciąganie
Rysunek 14.6. Krzywa rozciągania dla kompozytu wzmocnionego
włóknami ciągłymi (osnowa polimerowa, włókna ceramiczne) wg [13]
Strona 245
ROZDZIAŁ 14
Przebieg krzywej rozciągania jest następujący:
•
Początkowo (punkty 1÷2 na rysunku 14.6) przebieg jest liniowy, przy czym nachylenie prostoliniowego odcinka wykresu jest proporcjonalny do modułu sprężystości kompozytu,
•
Przy naprężeniu R1 rozpoczyna się płynięcie osnowy i na
wykresie widoczne jest niewielkie odchylenie linii prostej.
Przyrost naprężenia przenoszony jest przez włókna, które
ulegają odkształceniu sprężystemu (2÷3 na rysunku 14.6).
•
Przy naprężeniu R2 rozpoczyna się pękanie włókien i na wykresie widoczny jest spadek naprężenia do wartości granicy
plastyczności osnowy (3÷4) następnie przyrost naprężenia
przenoszony jest przez osnowę (odkształcenie plastyczne
osnowy 4÷5). Spadek naprężenia nie jest gwałtowny, ponieważ nigdy nie zdarza się, aby nastąpiło jednoczesne pęknięcie wszystkich włókien.
•
Zniszczenie kompozytu następuje wówczas, gdy pęka
osnowa (5).
Zgodnie z regułą mieszanin, wytrzymałość na rozciąganie kompozytu
(naprężenie, przy którym zaczynają pękać włókna) zależy od granicy
plastyczności osnowy (Re/O) i wytrzymałości na rozciąganie włókien
(Rm/W).
Rm / kom = VW Rm / W + VO Re / O
gdzie:
VW – udział objętościowy włókien,
VO – udział objętościowy osnowy, VO = (1-VW),
Rm/kom – wytrzymałość na rozciąganie kompozytu,
Rm/W – wytrzymałość na rozciąganie włókna,
Re/O – granica plastyczności osnowy,
Rm/O – wytrzymałość na rozciąganie osnowy,
Vkr – udział objętościowy włókien, powyżej którego następuje
wzmocnienie osnowy przez włókna.
Strona 246
KOMPOZYTY
Sumą obu prostych jest linia łamana, wykazująca minimum wytrzymałości na rozciąganie kompozytu. Wynika z tego, że istnieje pewna minimalna objętość włókien, którą należy wprowadzić, aby kompozyt uzyskał wytrzymałość większą od osnowy.
Rysunek 14.7. Zmiana wytrzymałości na rozciąganie kompozyty w
funkcji udziału objętościowego włókien wg [13]
W przypadku włókien ciętych (krótkich) istotnym parametrem wpływającym na wytrzymałość na rozciąganie (Rm) kompozytu jest długość
włókien rozmieszczonych w osnowie. Obciążenie w kompozytach włóknistych przekazywane jest przez osnowę na włókna przez powierzchnię
styku obu faz. Wielkość przekazanego obciążenia zależna jest od średnicy włókna oraz wytrzymałości połączenia osnowy i zbrojenia, za którą
uważa się wytrzymałość osnowy na ścinanie. Mechanizm przekazania
obciążenia z osnowy na włókno, przy rozciąganiu kompozytu wzdłuż
włókien przedstawiono na rysunku 14.8.
Rysunek 14.8. Mechanizm przeniesienia obciążenia z osnowy na włókno
wg [13]
Strona 247
ROZDZIAŁ 14
Siła Fw działająca na włókno w odległości x od jego końca wynosi
x
Fw = ∫ πd wτ o dx
o
Natomiast wartość siły krytycznej powodującej zerwanie włókna można
wyznaczyć z zależności
Fkr / W =
πd w
Rm / w
4
Porównując obie wartości sił można wyznaczyć odległość, przy której
nastąpi zerwanie włókna
xkr =
d w Rm / w
4τ o
a następnie długość krytyczną włókna (zależną od średnicy i wytrzymałości na rozciąganie włókna oraz od siły wiązania włókna z osnową),
poniżej której włókno nieefektywnie wzmacnia kompozyt
Lkr =
d w Rm / w
2τ o
gdzie:
Rm/w – wytrzymałość na rozciąganie włókna,
dw – średnica włókna,
τo – wytrzymałość osnowy na ścinanie.
Rozkład siły osiowej przekazywanej na włókno przez osnowę przedstawiono na rysunku 14.9.
Strona 248
KOMPOZYTY
Rysunek 14.9. Rozkład siły osiowej przekazywanej na włókno przez
osnowę: a) Lw < Lkr, b) Lw = Lkr, c) Lw > Lkr
Efektywne umacnianie kompozytu przez włókna występuje, gdy długość
włókna jest większa od długości krytycznej. W praktyce w kompozytach
o jednokierunkowym rozkładzie włókien stosowane są włókna ciągłe
o długości znacznie większej od długości krytycznej (L > 15 Lkr).
Włókna stosowane do wzmacniania kompozytów powinny mieć jak
najmniejsza średnicę. Wynika to z faktu, że im mniejsza średnica włókna
tym mniejsza jest ich powierzchnia i objętość, a tym samym mniejsze
prawdopodobieństwo wystąpienia wad struktury, które sprzyjają pękaniu. Wartość graniczną średnicy, poniżej której następuje znaczący
Strona 249
ROZDZIAŁ 14
wzrost właściwości wytrzymałościowych kompozytu polimerowego
wzmacnianego włóknami wynosi 15 µm (d < 15 µm).
Dodatkowo mała średnica włókna poprawia stosunek jego powierzchni
do objętości zwiększając powierzchnię wiązania osnowy ze wzmocnieniem, w wyniku czego uzyskuje się wzrost wytrzymałości połączenia adhezyjnego między włóknem i osnową.
Wartość wytrzymałości adhezyjnej między włóknem i osnową w zasadniczy sposób wpływa na właściwości kompozytów. Mała wartość sił
adhezyjnych powoduje, że lokalne naprężania w kompozycie uzyskują
wartości maksymalne na granicy podziału osnowy i wzmocnienia, co
prowadzi do zapoczątkowania pęknięcia (zniszczenia) kompozytu. Aby
zwiększyć wytrzymałość połączenia włókna z osnową stosuje się określone apretury na powierzchni włókien. Środki te poprawiają wytrzymałość adhezyjną przez tworzenie wiązań chemicznych między włóknem
i osnową oraz polepszają zwilżalność włókna, dzięki czemu uzyskuje się
lepsze przesycenie włókien.
Wytrzymałość teoretyczna kompozytów polimerowych wzmacnianych
włóknami jest o wiele wyższa od wytrzymałości rzeczywistej. Różnica
ta, podobnie jak w przypadku tworzywach ceramicznych, spowodowana
jest obecnością defektów w strukturze kompozytów uwarunkowanych
procesem technologicznym ich wytwarzania. Pory powietrza i mikropęknięcia tworzą w strukturze materiału nieciągłości, które powodują lokalną koncentrację naprężeń. Naprężenia lokalne w wierzchołku mogą
osiągnąć wartość równą teoretycznej wytrzymałości wiązania przy niezbyt dużych naprężeniach zewnętrznych. Z reguły początkiem zniszczenia kompozytu jest największy defekt, od którego rozpoczyna się propagacja pęknięcia, a w konsekwencji rozerwanie próbki przy naprężeniach
zewnętrznych mniejszych od sił spójności występujących w danym kompozycie.
Składniki strukturalne kompozytów
polimerowych wzmacnianych włóknami
Podstawowymi składnikami strukturalnymi kompozytów polimerowych
są osnowa i włókna wzmacniające.
Osnowa polimerowa
Na osnowę kompozytów polimerowych najczęściej stosowane są:
Strona 250
KOMPOZYTY
•
żywice termoutwardzalne: fenoplasty i aminoplasty;
•
żywice chemoutwardzalne: poliestrowe, epoksydowe i silikonowe;
•
tworzywa termoplastyczne: poliamidy, polipropylen, poliestry termoplastyczne i poliwęglan.
Włókna wzmacniające
Najczęściej składnikiem kompozytów polimerowych są włókna szklane,
węglowe lub aramidowe, stosowne w postaci rowingu, tkaniny lub maty.
Jak już wspomniano rodzaj wzmocnienia wpływa na wytrzymałość
i sztywność kompozytu natomiast postać wzmocnienia (np. sposób ułożenia włókien) wpływa na stopień anizotropowości właściwości wytrzymałościowych kompozytu.
Rysunek 14.10. Przykładowe rodzaje wzmocnień z włókien
Włókna szklane
Właściwości mechaniczne włókna szklanego zależą w dużej mierze od
jego składu chemicznego. Produkowane są z dwóch podstawowych rodzajów szkła:
•
szkło typu E: (borokrzemian)
Strona 251
ROZDZIAŁ 14
•
szkło typu S: (krzemian magnezowo – aluminiowy) charakteryzujące się wyższą wytrzymałością i mniejszym ciężarem
właściwym, lecz wyższą ceną w stosunku do szkła typu E.
Włókna szklane charakteryzują się małym wydłużeniem i wysokimi
wartościami modułu sprężystości oraz bardzo dobrą zwilżalnością przez
polimery, a co za tym idzie, możliwością tworzenia stosunkowo mocnego połączenia na granicach międzyfazowych polimer – szkło. Orientacyjne właściwości włókien podano w tabeli 14.1. Ze względu na stosunkowo prostą technologię wytwarzania są najtańszym zbrojeniem stosowanym w kompozytach o osnowie polimerowej. Stosowane są szeroko
w przemyśle samochodowym, lotnictwie, elektronice, szkutnictwie, budownictwie przemysłowym itp.
Włókna węglowe
Są to włókna, w których co najmniej 80% stanowi węgiel. Stosowane są
dwa rodzaje włókien węglowych:
•
włókna węglowe, w których węgiel stanowi 80¸90% wagowo,
•
włókna grafitowe: w których węgiel stanowi 99% wagi są
włóknami o najwyższej wytrzymałości właściwej.
Włókna węglowe charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi, wysokim modułem sprężystości oraz niską gęstością,
dobrze przewodzą elektryczność i mają wysoką odporność na działanie
kwasów i zasad. W zależności od cech włókna węglowego wyróżnia się
włókna o wysokiej wytrzymałości (HS – High Strength) oraz o wysokim
module sprężystości wzdłużnej (HM – High Modulus). Ze względu na
trudny i czasochłonny procesy produkcji cena tego zbrojenia jest znacznie wyższa od włókna szklanego. Wytwarza się z nich elementy pracujące pod dużymi obciążeniami w konstrukcjach lotniczych i kosmicznych,
w przemyśle motoryzacyjnym, w sprzęcie sportowym, w budowie siłowni wiatrowych oraz zbiorników ciśnieniowych itp.
Włókna aramidowe
Włókna aramidowe wytwarzane są z poliamidów włóknotwórczych zawierających pierścienie aromatyczne.
Do najbardziej znanych aramidów zalicza się:
Strona 252
KOMPOZYTY
•
Kevlar (fenyleno-1,4-diamid) – o wysokim module sprężystości wzdłużnej,
•
Twaron (fenyleno-1,4-diamid) – o średnim module sprężystości wzdłużnej,
•
Technora (Armidy) – kopolimer o niskim module sprężystości wzdłużnej.
Aramid charakteryzuje się wysoką wytrzymałością i niską gęstością,
zdolnością absorbowania energii, dobrymi właściwościami dielektrycznymi i antymagnetycznymi. Z włókien aramidowych produkuje się
kamizelki kuloodporne, hełmy oraz warstwy zabezpieczające
w ubraniach dla strażaków, lotników, kierowców rajdowych
i astronautów oraz do części odpornych na ścieranie i wyrobów odpornych na przecięcie ostrymi krawędziami. Stosowane są również
w mocno obciążonych elementach pracujących w konstrukcjach lotniczych i kosmicznych oraz do budowy struktur laminatowych
w budownictwie, jak i do produkcji sprzętu sportowego (narty, łodzie
wyczynowe, sprzęt golfowy itp).
Tabela 14.1. Orientacyjne właściwości włókien stosowanych
w kompozytach o osnowie polimerowej wg [11]
Włókno / nazwa
handlowa
Aramidowe
Węglowe i
grafitowe
Szklane
Panter
Torayca
Thornel
Technora
Twaton
Kevlar
ρ
Nazwa
[Mg/m3
]
E
[GPa]
Rm
[MPa]
Szkło E
2,54
76÷ 79
Szkło S
o średnim
module E
o wysokim
Rm
o wysokim
module E
o niskim
module E
o średnim
module E
o wysokim
module E
2,48
88÷ 91
3100
÷
3800
4400
1,74
228
1,82
φ
[µ
µm]
Tmax
pracy
[°°C]
5÷20
500
5÷10
750
3600
8
500
294
7100
7
500
2,18
966
3100
10
500
1,39
70
3000
12
160
1,45
121
3100
12
160
1,47
179
3500
12
160
Oprócz podanych komponentów w skład kompozytów polimerowych
mogą wchodzić wypełniacze proszkowe (niejednokrotnie stosowane
w celu obniżenia kosztów produkcji) oraz różne substancje pomocnicze
Strona 253
ROZDZIAŁ 14
(utwardzacze, środki antyadhezyjne, zagęszczacze, środki smarujące,
barwniki, dodatki zmniejszające zużycie ścierne lub przeciwskurczowe).
Kompozyty włókniste o osnowie polimerowej znajdują zastosowanie
w bardzo szerokim zakresie w szczególności w przemyśle lotniczym,
motoryzacyjnym oraz przy budowie jachtów i łodzi, zbiorników ciśnieniowych, urządzeń wiatrowych, sprzętu sportowego, sprzętu medycznego, elementów budowlanych itp.
Wzmocnienia w postaci włókien stosowane są również w bardzo szerokim zakresie w kompozytach o osnowie metalowej i ceramicznej. Znajdują one zastosowanie od standardowych konstrukcji betonowych
ze zbrojeniem z prętów metalowych do zaawansowanych kompozytów
o osnowie ze stopu tytanu lub aluminium wzmacnianych włóknami
węglowymi, boru lub SiC. Zastosowanie materiałów kompozytowych
o osnowie metalowej daje możliwość zwiększenia wytrzymałości
i sztywności materiału przy jednoczesnym zmniejszeniu jego masy, co
jest szczególnie istotne w zastosowaniach w konstrukcjach lotniczych
oraz przemyśle motoryzacyjnym. Obecnie największe zastosowanie
mają kompozyty o osnowie stopów metali lekkich takich jak Al, Mg i Ti.
Wytwarza się z nich łopatki i tarcze turbin, korbowody silników spalinowych, elementy usterzenia skrzydła oraz inne elementy konstrukcyjne.
Kompozyty wzmacniane cząstkami
W grupie kompozytów wzmacnianych cząstkami wyróżniamy: kompozyty wzmacniane dużymi cząstkami innej fazy, oraz umacniane dyspersyjnie.
Do kompozytów umacnianych dyspersyjne zaliczany materiały:
•
które zawierają dyspersyjne cząstki (najczęściej węglików,
tlenków, azotków w osnowie metalowej),
•
których udział objętościowym cząstek nie przekracza 15%,
•
których cząstki dyspersyjne charakteryzują się wymiarami
od 0,01÷0,1µm.
W materiałach tych naprężania przenoszone są przez osnowę. Umocnienie polega na utrudnianiu ruchu dyslokacji przez rozproszone w metalowej osnowie dyspersyjne cząstki. Efektywność umocnienia zależy od
wielkości, kształtu, udziału objętościowego cząstek oraz od wzajemnego
Strona 254
KOMPOZYTY
oddziaływania dyslokacji z wydzieleniami. Cząstki w temperaturze pracy nie powinny rozpuszczać się w osnowie.
Najbardziej znane są odlewane lub spiekane elementy z kompozytów o
osnowie wykonanej ze stopów Al wzmacniane cząstkami SiC lub Al2O3.
Stosowane są między innymi na tarcze hamulcowe, tłoki silników, bloki
silnikowe oraz ramy rowerów.
Jeżeli rozmiary cząstek umacniających są większe od 1,0 µm to materiał
zaliczany jest do kompozytów umacnianych dużymi cząstkami. W kompozytach tych w odróżnieniu do kompozytów umacnianych dyspersyjnie
obciążenie przenoszone jest przez osnowę i cząstki.
Umocnienie cząstkami kompozytów wynika z:
•
oddziaływania sprężystego cząstek z osnową,
•
ograniczenia ruchu dyslokacji,
•
utworzenia ciągłej siatki wzmocnienia w plastycznej osnowie.
Umocnienie przez przejmowanie obciążenia z osnowy oraz hamowanie
odkształcenia osnowy zależne jest od udziału objętościowego cząstek
oraz jakości ich połączenia z osnową. Przy słabych oddziaływaniach
adhezyjnych osnowy i zbrojenia wytrzymałość na rozciąganie kompozytu może być mniejsza niż osnowy. Wpływ udziału objętościowego
cząstek na sztywność kompozytu przedstawiono na rysunku 14.11.
Rysunek 14.11. Moduł Younga kompozytu w zależności od udziału
objętościowego wzmocnienia wg [2]
Strona 255
ROZDZIAŁ 14
Aby osiągnąć optymalne właściwości kompozytu:
•
cząstki powinny mieć jednakowe rozmiary;
•
powinny być równomiernie rozłożone;
•
procent objętości zbrojenia dostosowany jest od konkretnych
potrzeb wytrzymałościowych, cenowych itp.
Do tej klasy materiałów zaliczane są między innymi cermetale, beton,
cement itp.
Cermetale są to materiały, w których cząstki ceramiczne azotki i węgliki
(TiC, TiN, WC i VC) rozmieszczone są w osnowie Co, Ni lub Mo.
Cząstki zbrojenia mają rozmiary powyżej 1 µm, a ich udział objętościowy w materiale może osiągać wartość 90%.
Wytwarzane są podobnie jak ceramika metodą metalurgii proszków.
W celu nadania kształtu wyrobu najczęściej stosuje się jednostronne
prasowanie i spiekanie w piecu próżniowym w temperaturach od
1400÷1550 °C.
Cermetale charakteryzują się:
•
dużą twardością i odpornością na ścieranie,
•
dużą wytrzymałością na zginanie,
•
odpornością na utlenianie (również w podwyższonych temperaturach),
•
niskim współczynnikiem tarcia,
•
relatywnie niską ceną.
Stosowane są na narzędzia skrawające. Ostrza z cermetali zapewniają
gładką powierzchnię obrabianego materiału i często wykorzystywane są
do obróbki wykańczającej stopów żelaza.
Wzmocnienie kompozytów cząstkami jest znacznie mniejsze niż włóknami. Jednakże łatwość ich wytwarzania powoduje, iż stosowane są one
w bardzo szerokim zakresie. Cząstki nie zawsze wprowadzane są w celu
wzmocnienia kompozytu, lecz również w celu uzyskania innych niezbędnych cech.
Strona 256
KOMPOZYTY
W przypadku kompozytów o sprężystej osnowie (ceramicznej lub polimerowej) niejednokrotnie wprowadzane są do niej odpowiednio cząstki
plastyczne lub wysokoplastyczne, które powstrzymują pękanie materiału
i powodują wzrost odporności na kruche pękanie.
Innym przykładem może być wprowadzanie grafitu do gumy stosowanej
na opony samochodowe, spełniającego funkcje smarujące, w wyniku,
czego uzyskujemy zwiększenie odporności na zużycie ścierne.
W przypadku polimerów z wypełniaczami proszkowymi (kreda, piasek,
zmielone laminaty) uzyskujemy zwiększenie odporności na ścieranie
oraz obniżenie ceny materiału.
Strona 257
ROZDZIAŁ 14
Strona 258
`
15
Literatura
W tym rozdziale:
o
o
Bibliografia
Skorowidz norm
ROZDZIAŁ 15
Literatura
1. Ciszewski A., Radomski T., Szumer A., Materiałoznawstwo,
OWPW, Warszawa, 1998.
2. Ashby M. F., Jones D. R. H., Materiały Inżynierskie 1. Właściwości i zastosowania, WNT, Warszawa, 1995.
3. Kocańda S., Szala J., Podstawy obliczeń zmęczeniowych, PWN,
Warszawa, 1997.
4. Wieleba W., Analiza procesów tribologicznych zachodzących
podczas współpracy kompozytów PTFE ze stalą, Wydawnictwo
Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2002.
5. Branagan D. J., Enabling Factors Toward Production of Nanostructured Steel on an Industrial Scale, Journal of Materials
Engineering and Performance, Vol. 14(1) February 2005, ASM
International.
6. Rudnik S., Metaloznawstwo, PWN, Warszawa, 1983.
7. Kaczorowski M, Krzyńska A., Konstrukcyjne materiały metalowe, ceramiczne i kompozytowe, OWPW, Warszawa, 2008.
8. Prowans S., Materiałoznawstwo, PWN, Warszawa – Poznań,
1977.
9. Dobrzański L., Metaloznawstwo opisowe stopów żelaza, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2007.
10. Pampuch R., Budowa i właściwości materiałów ceramicznych,
Wydawnictwo AGH, Kraków, 1995.
11. Dobrzański L., Materiały inżynierskie i projektowanie materiałowe, WNT, Warszawa, 2006.
12. Górny Z., Odlewnicze stopy metali nieżelaznych, WNT, Warszawa 1992.
13. Ashby M. F., Jones D. R. H., Materiały Inżynierskie 2. Kształtowanie struktury i właściwości, dobór materiałów, WNT, Warszawa, 1996.
Strona 260
LITERATURA
14. Burakowski T., Wierzchoń T., Inżynieria powierzchni metali,
WNT 1995.
Skorowidz norm
PN-EN 573-1:2006 Aluminium i stopy aluminium. Skład chemiczny
i rodzaje wyrobów przerabianych plastycznie. Część 1: System oznaczeń
numerycznych.
PN-EN 573-2:1997 Aluminium i stopy aluminium. Skład chemiczny
i rodzaje wyrobów przerabianych plastycznie. System oznaczeń na podstawie symboli chemicznych.
PN-EN 573-3:2007 Aluminium i stopy aluminium. Skład chemiczny
i rodzaje wyrobów przerabianych plastycznie. Część 3: Skład chemiczny
i rodzaje wyrobów.
PN-EN 1706:2001 Aluminium i stopy aluminium. Odlewy. Skład chemiczny i własności mechaniczne.
PN-EN 1780-1:2004 Aluminium i stopy aluminium. Oznaczenie gąsek
do przetopienia z aluminium niestopowego i stopowego stopów wstępnych i odlewów. Część 1: System oznaczeń numerycznych.
PN-EN 1780-2:2004 Aluminium i stopy aluminium. Oznaczenie gąsek
do przetopienia z aluminium niestopowego i stopowego stopów wstępnych i odlewów. Część 1: System oznaczeń na podstawie symboli chemicznych.
PN-EN ISO 4957:2004 Stale narzędziowe.
PN-EN 10002-1:2004 Metale. Próba rozciągania. Cześć 1: Metoda
badania w temperaturze otoczenia.
PN-EN 10020: 2003 Definicja i klasyfikacja gatunków stali.
PN-EN 10027-1:2007 Systemy oznaczania stali. Część 1: Znaki stali.
PN-EN 10027-2:1994 Systemy oznaczania stali. System cyfrowy.
PN-EN 10025-1:2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych. Część 1: Ogólne warunki techniczne dostawy.
PN-EN 10025-3:2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych. Część 3: Warunki techniczne dostawy spawalnych stali konStrona 261
ROZDZIAŁ 15
strukcyjnych drobnoziarnistych po normalizowaniu lub walcowaniu
normalizującym.
PN-EN 10025-6:2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych. Część 6: Warunki techniczne dostawy wyrobów płaskich
o podwyższonej granicy plastyczności.
PN-EN 10045-1:1994 Metale. Próba udarności sposobem Charpy’ego.
Metoda badania.
PN-EN 10083-1:2006 Stale do ulepszania cieplnego. Część 1: Ogólne
warunki techniczne dostaw.
PN-EN 10084:2002 Stale do nawęglania. Warunki techniczne dostawy.
PN-EN 10087:2000 Stal automatowa. Warunki techniczne dostawy półwyrobów, prętów i walcówki walcowanych na gorąco.
PN-EN 10088-1:2007 Stale odporne na korozję. Część 1: gatunki stali
odpornych na korozję.
PN-EN 10132-4:2004 Taśma stalowa wąska walcowana na zimno do
obróbki cieplnej. Warunki techniczne dostawy. Część 4: Stale sprężynowe i do innych zastosowań.
PN-EN 10270-1:2004 Drut stalowy na sprężyny mechaniczne. Część 1:
Drut sprężynowy ze stali niestopowej patentowany ciągniony na zimno.
PN-EN 10296-1:2006 Rury stalowe ze szwem o przekroju okrągłym do
zastosowań mechanicznych i ogólnotechnicznych. Warunki techniczne
dostawy. Część 1: Rury ze stali niestopowych i stopowych.
Strona 262
Download
Random flashcards
ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

Create flashcards