Metallurgy PL

Published on January 2017 | Categories: Documents | Downloads: 56 | Comments: 0 | Views: 1117
of 39
Download PDF   Embed   Report

Comments

Content


1
1. Budowa metali (wiazania, typy sieci)
Wyróznia sie nastepujace wiazania:
jonowe – polega na elektrostatycznym oddzialywaniu miedzy jonami o róznoimiennych ladunkach.
Wiazanie jonowe powoduje duza rezystywnosc i opornosc cieplna oraz kruchosc uzyskiwanych
substancji, np. NaCl.
kowalencyjne (atomowe) – polega na uwspólnianiu elektronów walencyjnych. Wiazanie to prowadzi
do duzej opornosci cieplnej i elektrycznej (brak wolnych elektronów) oraz do braku plastycznosci,
np. diament.
van der Waalsa (miedzyczasteczkowe) – powstaje miedzy chwilowymi dipolami elektrycznymi,
utworzonymi z atomów na skutek nierównomiernego rozkladu ladunków w ich chmurach elektro-
nowych, np. wiazania miedzy makroczasteczkami tworzyw termoplastycznych.
Metale charakteryzuja sie wiazaniem metalicznym, którego istote stanowi elektrostatyczne oddzia-
lywanie jonów dodatnich i elektronów walencyjnych, zdolnych do poruszania sie w calej objetosci
metalu, tworzacych tzw. gaz elektronowy. Obecnosc wolnych elektronów w metalach jest przyczyna
ich charakterystycznych wlasnosci: dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, dodatni tempera-
turowy wspólczynnik rezystywnosci, polysk metaliczny i plastycznosc.
Wiekszosc pierwiastków metalicznych krystalizuje w nastepujacych typach sieci:
A1 siec regularna sciennie centrowana (RSC) np. Fe

, Al, Cu, Ag, Pb
l
a
= 4 (liczba rdzeni atomowych przypadajacych na 1 komórke sieciowa)
l
k
= 12 (liczba koordynacyjna - liczba najblizszych sasiadów)
w
u
= 0,74% (wspólczynnik upakowania)
A2 siec regularna przestrzennie centrowana (RPC) np. Fe

, Ti

, V, Cr, Mo
l
a
= 2
l
k
= 8
w
u
= 0,68%
A3 siec heksagonalna zwarta (HZ) np. Zn, Mg, Cd, Ti

l
a
= 6
l
k
= 12
w
u
= 0,74% (siec gesto upakowana)
2
2. Defekty struktury krystalicznej
Defekty sieci krystalicznej klasyfikuje sie ze wzgledu na ich cechy geometryczne:
punktowe:
wakanse – wolne wezly w sieci krystalicznej, powoduja kontrakcje sieci;
atomy miedzywezlowe – powoduja ekspansje sieci;
atomy domieszek (miedzywezlowe, róznowezlowe).
liniowe:
dyslokacja krawedziowa powstaje w krysztale w wyniku usytuowania sie w nim dodatkowej
pólplaszczyzny atomowej, której krawedz przebiega przez caly krysztal;
dyslokacja srubowa spowodowana jest przemieszczeniem czesci krysztalu wokól osi, zwanej
linia dyslokacji srubowej, wektor Burgersa b jest równolegly do tej linii;
dyslokacje mieszane to dyslokacje o dowolnej orientacji wektora Burgersa wzgledem linii dyslo-
kacji, mozna je traktowac jako nalozone na siebie dyslokacje krawedziowe i srubowe.
powierzchniowe:
granice ziarn to wewnetrzne powierzchnie graniczne oddzielajace dwa krysztaly, rózniace sie tylko
orientacja;
granice miedzyfazowe to powierzchnie graniczne oddzielajace krysztaly róznych faz rózniace
sie orientacja, typem sieci i skladem chemicznym;
bledy ulozenia w skutek dyslokacji krawedziowej – sa to zaburzenia sekwencji ulozenia gesto
upakowanych warstw atomowych.
3. Budowa fazowa stopów podwójnych (krzywe chlodzenia)
Faza jest to jednorodna czesc ukladu oddzielona od innych jego faz powierzchnia rozdzialu.
Rodzaje faz w stopach metali:
mieszanina krysztalów czystych skladników (brak oddzialywan skladników stanie stalym),
np. kazda eutektyka;
faza miedzymetaliczna (silne oddzialywania skladników w stanie stalym, cechuje sie wlasnosciami
i siecia krystaliczna, odmienna od sieci skladników z jakich powstaje), np. cementyt Fe
3
C;
roztwór staly (zachowuje siec krystaliczna metalu rozpuszczajacego/osnowy):
roztwór staly miedzywezlowy (addycyjny) - o ograniczonej rozpuszczalnosci (H, N, C, B)
roztwór staly róznowezlowy (substytucyjny) - o nieograniczonej lub ograniczonej rozpuszczalnosci
roztwór staly uporzadkowany (nadstruktura)
Regula faz Gibbsa – okresla zaleznosc miedzy liczba stopni swobody S ukladu a liczba jego faz f i
skladników n: S = n – f + 1.
Regula dzwigni – okresla sklad chemiczny faz i ich stosunek ilosciowy.
uklad z nieograniczona rozpuszczalnoscia w stanie stalym
3
uklad z eutektyka krysztalów czystych skladników (brak rozpuszczalnosci w stanie stalym)
uklad z ograniczona rozpuszczalnoscia w stanie stalym z eutektyka
uklad z ograniczona rozpuszczalnoscia w stanie stalym z perytetyka
4
4. Krystalizacja metali
Krystalizacja metali polega na tworzeniu sie krysztalów przy przechodzeniu metalu ze stanu cieklego
w stan staly. Przy tym przejsciu atomy ze stanu nieuporzadkowanego przechodza w uporzadkowanie
dalekiego zasiegu, tworzy sie siec krystaliczna i ciecz krzepnie w postaci krysztalów.
Aby krystalizacja mogla przebiegac, niezbedne jest, aby temperatura cieczy spadla ponizej teoretycznej
temperatury krystalizacji. Róznica miedzy teoretyczna a rzeczywista temperatura krystalizacji nosi nazwe
stopnia przechlodzenia.
Sila napedowa procesu krystalizacji jest dazenie do obnizania energii swobodnej a towarzyszy temu
uwolnienie utajonego ciepla krystalizacji.
W procesie krystalizacji wyodrebnia sie dwa elementarne procesy: tworzenie sie zarodków krystalizacji
oraz wzrost tych zarodków. Rozróznia sie zarodkowanie homogeniczne (w wyniku fluktuacji gestosci,
temperatury, stezenia) oraz heterogeniczne (powstawanie zarodków na powierzchniach obcych faz).
Przy sprzyjajacych warunkach krysztaly wzrastaja w ksztalcie dendrytów (charakterystycznych choinek).
5. Mechanizmy odksztalcenia plastycznego
Odksztalcenie plastyczne to zmiana zewnetrznego ksztaltu metalu pod wplywem dzialania sil zewne-
trznych bez dekohezji (pekniec i rozwarstwien). Wyróznia sie mechanizmy odksztalcenia przez:
poslizg dyslokacyjny – polega na przesunieciu lub kolejnych przemieszczeniach jednej plaszczyzny
atomowej wzgledem drugiej pod dzialaniem naprezen stycznych. Plaszczyzna, w której proces ten
zachodzi, nazywana jest plaszczyzna poslizgu i charakteryzuje sie najwieksza gestoscia atomów.
Poslizg wytwarza na powierzchni krysztalu stopnie, czyli tzw. pasma poslizgu;
blizniakowanie – polega na lokalnym, jednorodnym obrocie sieci krystalograficznej, równolegle do
pewnej plaszczyzny zwanej plaszczyzna blizniakowania. Powoduje to, ze atomy lezace powyzej tej
plaszczyzny sa zwierciadlanym odbiciem atomów znajdujacych sie ponizej niej;
Podczas odksztalcania w podwyzszonych temperaturach dzialaja takie mechanizmy, jak:
pelzanie dyfuzyjne;
pelzanie dyslokacyjne;
poslizg po granicach ziaren (polega na przesuwaniu sie i obrotach ziaren wzdluz ich granic szerokokatowych).
6. Umocnienie odksztalceniowe
Umocnienie odksztalceniowe jest to efekt polegajacy na zmianie wlasciwosci mechanicznych metalu
w miare rozwoju procesu odksztalcenia plastycznego (wzrostu stopnia odksztalcenia). Podwyzszeniu
ulegaja twardosc i wytrzymalosc, zas obnizeniu plastycznosc i udarnosc. Jest to zwiazane z jednej strony
ze wzrostem gestosci defektów w sieci krystalicznej (wzrost naprezen wewnetrznych), z drugiej zas –
z obnizeniem zdolnosci przemieszczania sie dyslokacji.
Efekt umocnienia odksztalceniowego jest wykorzystywany w procesie technologicznym nagniatania
metali, w celu powierzchniowego utwardzenia, zwiekszenia wytrzymalosci zmeczeniowej, odpornosci
na scieranie oraz podwyzszenia gladkosci powierzchni obrabianego elementu.
Schemat struktury wlewka stalowego.
5
7. Zjawiska aktywowane cieplnie
Metal odksztalcony plastycznie na zimno (w stanie zgniotu) charakteryzuje sie zwiekszona iloscia zmaga-
zynowanej energii odksztalcenia, wskutek zwiekszonej gestosci defektów. Energia ta stanowi sile nape-
dowa wywolujaca zmiany strukturalne zblizajace material do stanu równowagi. Warunkiem tego jest
wzrost temperatury i zwiekszenie predkosci procesów dyfuzyjnych.
Do najwazniejszych zjawisk aktywowanych cieplnie naleza:
zdrowienie – obejmuje wszystkie zmiany z wyjatkiem powstawania nowych, wolnych od defektów
ziaren. Zachodzi ponizej temperatury rekrystalizacji. Zdrowienie prowadzi do zaniku defektów punkt-
owych i naprezen a takze do uporzadkowania dyslokacji (poligonizacji), w wyniku czego zmieniaja
sie wlasnosci mechaniczne (spadek wytrzymalosciowych i wzrost plastycznych) oraz wlasnosci
fizyczne (opornosc elektryczna i koercja);
rekrystalizacja – polega na tworzeniu sie nowych, wolnych od defektów ziaren. Proces zachodzi
powyzej temperatury rekrystalizacji i obejmuje zjawiska zarodkowania (rekrystalizacja pierwotna)
i rozrostu zarodków, do momentu wypelnienia przez nie calej objetosci uprzednio odksztalconego
plastycznie metalu. Podczas rekrystalizacji nastepuje odtworzenie struktury i wlasciwosci metalu
do poziomu, jakim cechowal sie on przed odksztalceniem (zgniotem). Sila napedowa procesu jest
dazenie do obnizenia zmagazynowanej energii odksztalcenia;
zdrowienie dynamiczne i rekrystalizacja dynamiczna – zachodza podczas obróbki plastycznej na
goraco (powyzej temperatury rekrystalizacji) i umozliwiaja dokonywanie bardzo duzych odksztalcen,
bez naruszenia spójnosci materialu.
8. Uklad równowagi Fe-Fe
3
C
Cementyt Fe
3
C (weglik zelaza) – faza miedzymetaliczna zelaza z weglem o zawartosci 6,67%.
Róznica miedzy cementytem pierwszo-, drugo- i trzeciorzedowym polega na ich morfologii i na tym z
czego powstaly:
pierwszorzedowy Fe
3
C
I
wydziela sie z roztworu cieklego
drugorzedowy Fe
3
C
II
wydziela sie w stanie stalym z austenitu
trzeciorzedowy Fe
3
C
III
wydziela sie w stanie stalym z ferrytu
Ferryt – roztwór staly miedzywezlowy wegla w zelazie .
Austenit – roztwór staly miedzywezlowy wegla w zelazie .
6
Perlit – mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu.
Ledeburyt – mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu.
Ledeburyt przemieniony – mieszanina perlitu i cementytu, utworzona w wyniku przemiany austenitu
z ledeburytu w perlit.
Przemiana perytektyczna L
B
+ o
H
÷ y
J
– powstaje austenit (1495°C)
Przemiana eutektyczna L
C
÷ y
E
+ Fe
3
C
I
– powstaje ledeburyt (1147°C)
Przemiana eutektoidalna y
S
÷ o
P
+ Fe
3
C
II
– powstaje perlit (723°C)
9. Podzial i kryteria doboru materialów konstrukcyjnych
Materialami konstrukcyjnymi nazywamy materialy inzynierskie, które sa wykorzystywane do budowy
maszyn i urzadzen. Podzial materialów konstrukcyjnych: metale i ich stopy, polimery, materialy cera-
miczne, materialy kompozytowe.
Doboru materialów konstrukcyjnych nalezy dokonywac opierajac sie na wlasnosciach:
ogólnych (wzgledny koszt, gestosc o);
mechanicznych (modul sprezystosci E, udarnosc KC, wytrzymalosc o, wspólczynnik tlumienia,
wskaznik zmeczeniowy);
cieplnych (pojemnosc cieplna, temperatura topnienia, wspólczynnik rozszerzalnosci cieplnej, odpornosc
na udary cieplne, odpornosc na pelzanie, dyfuzyjnosc);
wskaznik zuzycia, wskaznik korozyjny.
10. Grupy materialów konstrukcyjnych
materialy metaliczne – sa glównymi materialami konstrukcyjnymi, gdyz stanowia podstawowe
tworzywo konstrukcyjne maszyn, konstrukcji i srodków transportu. Charakteryzuja sie wysoka prze-
wodnoscia cieplna i elektryczna, duza wytrzymaloscia i ciagliwoscia a niektóre wysoka temperatura
topnienia. Najczesciej stosuje sie stopy, gdyz wykazuja lepsze wlasnosci wytrzymalosciowe, przy
czym najbardziej rozpowszechnione sa stopy zelaza (zeliwo, stale weglowe i stopowe).
tworzywa sztuczne (polimery) – cenione sa glównie z uwagi na niska gestosc i dobre wlasnosci
izolacyjne. Stanowia podstawe struktury drewna i tworzyw termoplastycznych. Wyróznia sie polimery
liniowe, w których atomy wegla polaczone sa w lancuchy za pomoca silnych wiazan kowalency-
jnych, natomiast wiazania miedzy makroczasteczkami zwiazane sa z dzialaniem slabych sil van der
Waalsa. Oprócz nich wyróznia sie polimery usieciowane, zbudowane z trójwymiarowych czasteczek
o wiazaniu kowalencyjnym.
materialy ceramiczne – skladaja sie z pierwiastków metalicznych i niemetalicznych o wiazaniu jono-
wym i kowalencyjnym. Grupa ta obejmuje szeroki asortyment materialów takich jak: ceramika
tradycyjna na bazie gliny, cement i beton, cermetale (spieki ceramiczno-metalowe), grafit, tlenki,
azotki i inne. Na ogól materialy te cechuja sie stosunkowo wysoka twardoscia i kruchoscia. Materialy
ceramiczne sa dobrymi izolatorami zarówno elektrycznosci, jak i ciepla.
materialy kompozytowe – sa to lekkie tworzywa konstrukcyjne o wysokiej wytrzymalosci i jedno-
czesnie wysokiej odpornosci na pekanie. Stanowia polaczenie dwóch lub wiecej odrebnych faz o
zróznicowanych wlasciwosciach, które prowadza do uzyskania nowych wlasciwosci, nie bedacych
zwykla suma wlasciwosci elementów skladowych. Klasyczny kompozyt sklada sie z bardzo wytrzy-
malych, ale kruchych wlókien rozmieszczonych równomiernie w osnowie metalicznej lub z tworzyw
sztucznych. Do najbardziej znanych kompozytów naleza: zelazobeton, eternit, szklo zbrojone siatka
metalowa, wegliki spiekane, cermetale i inne.
11. Podstawowe prawo dotyczace stosowania materialów konstrukcyjnych
Prawo Hooke’a – odksztalcenie ciala sprezystego jest wprost proporcjonalne do jego obciazenia:
o = Ee
gdzie: o – naprezenie o=F/ A
e – odksztalcenie wzgledne e=Al / l
E – modul Younga (modul sprezystosci)
7
Dla wiekszosci materialów konstrukcyjnych odksztalcenie jest proporcjonalne do naprezenia jedynie
w pewnych granicach wlasciwych materialowi (przy odksztalceniach nieprzekraczajacych granicy
proporcjonalnosci).
12. Kryteria podzialu metali i ich stopów
metale zelazne
zelazo (techniczne)
stale
niestopowe (weglowe)
stopowe
staliwa
zeliwa
metale niezelazne (metale i stopy metali kolorowych)
stopy aluminium (silumin, duralumin)
stopy miedzi (braz, mosiadz)
stopy niklu
Pierwiastki metaliczne mozna podzielic ze wzgledu na:
gestosc: lekkie (Al, Mg, Be, Na, K) i ciezkie (Fe, Cu, Zn, Sn, Pb);
topliwosc: latwo, srednio i trudno topliwe;
odpornosc chemiczna: nieszlachetne (Fe), pólszlachetne (Cu, Cr, Ni) i szlachetne (Pt, Ag, Au).
13. Scharakteryzuj proces otrzymywania stali
Wspólczesny proces technologiczny otrzymywania stali mozna podzielic na kilka etapów:
1. Wielki piec
Pierwszy etap odbywa sie w wielkim piecu, którego zadaniem jest wytapianie surówki z rud zelaza
(redukcja tlenków zelaza). Surówka zawiera 93% zelaza i 7% innych pierwiastków (C, Mn, Si)
+ zanieczyszczenia (S, P);
2. Proces konwertorowy/martenowski
Drugi etap odbywa sie w konwertorach tlenowych (LD), piecach martenowskich lub w piecach
elektrycznych i polega na usuwaniu z surówki nadmiaru wegla i innych domieszek przez utlenianie,
odsiarczanie i usuniecie wtracen niemetalicznych (proces rafinacyjny);
3. Proces odlewania stali
Nastepnie stal wytopiona w konwertorze lub piecu martenowskim/elektrycznym spuszcza sie do
kadzi odlewniczej i przelewa do wlewnic lub na maszyne do ciaglego odlewania, polaczona z
walcarkami, dzieki czemu otrzymuje sie gotowy wyrób walcowany (stal).
Stala nazywa sie plastycznie i cieplnie obrabiany stop zelaza z weglem i innymi pierwiastkami, w których
zawartosc wegla jest mniejsza od 2%.
14. Zanieczyszczenia w stali
0,05% P – kruchosc na zimno (patrz pkt. 15)
0,05% S – kruchosc na goraco (patrz pkt. 16)
0,014% N
2
– kruchosc niebieskiego przelomu (patrz pkt. 17)
0,003% O
2
– obnizenie plastycznosci
Wystepuje w postaci tlenków zelaza. Przy wartosciach wiekszych niz 0,003% silnie obniza ciagliwosc stali.
Mozna temu zapobiegac poprzez odtlenienie stali metoda prózniowa. Wprowadza sie równiez pierwiastki o
wiekszym powinowactwie do tlenu (Si, Mn, Al), które tworza mniej szkodliwe tlenki.
8 ppm H
2
– choroba wodorowa (ppm – parts per milion)
Bardzo szkodliwy. Ze wzgledu na mala wielkosc atomu, moze szybko dyfundowac i powoduje mikro-
pekniecia tzw. platki wodorowe (wloskowate szczelinki pod postacia jasnych plam). Chorobie wodorowej
mozna zapobiegac przez ograniczenie zawartosci wodoru w stali, glównie w wyniku unikania wilgoci w
procesach metalurgicznych.
Kryteria podzialu stali:
sklad chemiczny (niestopowe, stopowe)
sposób wytwarzania (martenowska, elektryczna i inne)
sposób odtleniania (nieuspokojona, póluspokojona, uspokojona)
klasy jakosci (jakosciowe, specjalne)
postac (lana, kuta, walcowana na goraco/zimno, ciagniona)
stan (surowy, normalizowany, zmiekczony, ulepszony cieplnie)
rodzaj produktu (tasmy, blachy, prety, druty, rury)
podstawowe zastosowanie (konstrukcyjne, narzedziowe,
o szczególnych wlasciwosciach)
8
15. Kruchosc na zimno
Rozpuszczony w ferrycie fosfor silnie go utwardza, ale jednoczesnie obniza jego ciagliwosc. Zwieksza
tez sklonnosc do kruchego pekania. Jest to zwiazane z zajmowaniem przed atomów fosforu miejsc miedzy-
wezlowych w sieci krystalicznej inicjujac zjawisko ekspansji sieci, co wplywa na wzmocnienie struktury.
16. Kruchosc czerwonego zaru (kruchosc na goraco)
Siarka (jej normalna zawartosc jest nizsza od 0,05%) tworzy siarczek zelazawy FeS, który wchodzi w
sklad eutektyki Fe + FeS. Powoduje kruchosc stali w temperaturze czerwonego zaru (powyzej 800°C)
zwiazana z powstawaniem nieciaglosci strukturalnych. Uniemozliwia obróbke plastyczna stali na goraco.
17. Kruchosc niebieskiego przelomu
Azot rozpuszczony (tworzy roztwór miedzywezlowy) wywoluje w zelazie wyrazna granice plastycznosci
i starzenie po zgniocie w wyniku skupiania sie atomów azotu wokól dyslokacji. Moze wynikac ze zle
przeprowadzonego zabiegu odpuszczania. Szkodliwe dzialanie azotu mozna zniwelowac dodatkiem Al,
który powoduje wiazanie azotu rozpuszczonego w azotki aluminium AlN.
18. Wplyw wegla na strukture stali niestopowych
Poprzez zmiane zawartosci wegla mozna sterowac udzialem poszczególnych faz w strukturze.
Stale o bardzo malym stezeniu wegla wykazuja strukture ferrytu w postaci wielokatnych jasnych ziarn z
ciemnymi granicami. Przy zawartosci wegla do 0,02%, na granicach ziarn ferrytu pojawiaja sie wydzie-
lenia cementytu Fe
3
C
III
. Przy wiekszym stezeniu wegla w strukturze stali pojawia sie perlit, a stal ma
strukture ferrytyczno-perlityczna – stale podeutektoidalne – w miare wzrostu zawartosci wegla zwieksza
sie ilosc perlitu w strukturze. Strukture czysto perlityczna ma stal o stezeniu ok. 0,8% wegla (stale
eutektoidalne). Wstalach nadeutektoidalnych w miare wzrostu zawartosci wegla zwieksza sie udzial
twardego i kruchego cementytu wtórnego Fe
3
C
II
:
9
19. Wplyw wegla na wlasciwosci stali niestopowych
Wraz ze wzrostem zawartosci wegla:
wzrasta: maleje:
wytrzymalosc na rozciaganie R
m
granica plastycznosci R
e
twardosc stali HB
wydluzenie A
przewezenie Z
udarnosc KC
Jest to zwiazane z jednej strony ze zmniejszeniem udzialu miekkiego
i plastycznego ferrytu, z drugiej zas ze zwiekszeniem twardego i
kruchego cementytu.
Zwiekszenie zawartosci wegla pogarsza równiez wlasnosci techno-
logiczne stali. Szczególne znaczenie ma pogorszenie spawalnosci.
Zwiekszone stezenie wegla pogarsza równiez podatnosc stali na
obróbke plastyczna na zimno i na goraco.
20. Podzialy stali niestopowych
Ze wzgledu na metode wytapiania: konwertorowa, martenowska, w piecu elektrycznym.
Ze wzgledu na zawartosc wegla:
zelazo Armco – ok. 0,02% C – do wyrobu blach transformatorowych
stal niskoweglowa – 0,15 ÷ 0,30% C – ksztaltowniki, plyty, rury
stal srednioweglowa – 0,3 ÷ 0,6% C – waly korbowe, osi pojazdów, kola zebate
stal wysokoweglowa (stal narzedziowa) – 0,6 ÷ 1,4% C – np. noze tokarskie
Ze wzgledu na stopien odtlenienia:
uspokojona – najlepiej odtleniona, nie dochodzi do reakcji wegla z tlenem, brak pecherzy gazowych;
póluspokojona – we wlewnicy dochodzi do ograniczonej reakcji wegla z tlenem;
nieuspokojona – najgorzej odtleniona, caly proces utleniania nastepuje w wyniku reakcji wegla
zawartego w stali, duzo pecherzy gazowych.
Ze wzgledu na zawartosc wegla (zgodnie z wykresem Fe-Fe
3
C):
podeutektoidalna – (do 0,8% C) o strukturze ferrytyczno-perlitycznej;
eutektoidalna – (ok. 0,8% C) o strukturze perlitycznej;
nadeutektoidalna – (0,8 ÷ 2,06% C) o strukturze perlitycznej z cementytem (drugorzedowym).
21. Wplyw wielkosci ziarna na wlasciwosci stali
Przy niskich temperaturach wraz ze zmniejszaniem wielkosci ziarna zwiekszaja sie wlasnosci wytrzyma-
losciowe. Jest to zwiazane z blokowaniem ruchu dyslokacji przez granice ziaren. Ilustruje to zaleznosc
Halla-Petcha:
o = o
0
+ k · d
-1/2
gdzie: o – dolna granica plastycznosci, d – wielkosc ziarna, o
0
, k – stale.
Duze ziarno obniza wlasciwosci mechaniczne, zwlaszcza udarnosc i granice plastycznosci. Natomiast
przy wysokich temperaturach obecnosc granic nie wzmacnia, ale oslabia material, czego przyczyna
jest latwosc odbywania sie poslizgu po granicach ziaren. Dazy sie wiec do tego, aby np. lopatki turbin,
pracujace w wysokich temperaturach, posiadaly jak najbardziej gruboziarnista, a nawet monokrysta-
liczna strukture.
10
22. Przemiany fazowe w stalach
Przemiany fazowe sa to procesy, których efektem jest przebudowa struktury i zmiana wlasnosci.
Kazda przemiana fazowa przebiega w kierunku zmniejszenia energii swobodnej F.
Mechanizm przemian fazowych moze byc:
dyfuzyjny – przemiany dyfuzyjne wymagaja dyfuzji atomów w materiale, stopien przemiany jest
zalezny od temperatury i czasu, np. przemiana perlitu w austenit, przemiana perlityczna;
bezdyfuzyjny – polega na skoordynowanym przemieszczaniu sie atomów na niewielkie odleglosci
wzgledem pewnej plaszczyzny, stopien przemiany jest zalezny tylko od temperatury i przebiega z
szybkoscia rozchodzenia sie drgan w sieci krysztalu, np. przemiana martenzytyczna.
Podstawowe przemiany fazowe zachodzace w stalach:
I. Przemiana perlitu w austenit – ( Fe o (C) + Fe
3
C ) ÷ Fe y
Warunkiem zajscia przemiany perlitu w austenit jest nagrzanie stali do temperatury wyzszej od Ac
1
(723°C). Przemiana ma charakter dyfuzyjny, gdyz rozrastajace sie zarodki austenitu rozpuszczaja
zarówno cementyt, jak i ferryt. Przekroczenie temperatury przemiany towarzyszy rozdrobnienie ziaren.
Dalsze nagrzewanie wywoluje rozrost ziaren austenitu.
11
II. Przemiana austenitu w struktury perlityczne – Fe y ÷ Feo (C) + Fe
3
C
Warunkiem zajscia przemiany perlitycznej jest ochlodzenie stali do temperatury nizszej od Ar
1
.
Przemiana ma charakter dyfuzyjny, zwiazany z przegrupowaniem atomów wegla i zachodzi przez
zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Wzrost zarodka cementytu powoduje zmniejszenie stezenia
wegla w austenicie (wegiel dyfunduje do tworzacego sie cementytu), co umozliwia powstanie plytki
ferrytu:
Struktury otrzymywane w wyniku przemiany zaleza od stopnia przechlodzenia austenitu. Przy nie-
wielkim stopniu przechlodzenia powstaje perlit gruby. Obnizenie temperatury przemiany skraca czas
przemiany, dyfuzja wegla zachodzi na mniejszych odleglosciach i powstaje perlit drobny. Przykladem
obróbki cieplnej wykorzystujacej przemiane perlityczna jest wyzarzanie.
Przebieg przemian przechlodzonego austenitu mozna rozpatrywac na podstawie wykresów CTP:
A
1
Glówne czynniki hamujace rozrost ziaren austenitu:
– dyspersyjne czastki Al
2
O
3
i AlN;
– trudno rozpuszczalne wegliki w strukturze.
Zabieg cieplny polegajacy na nagrzaniu stali do temperatury
zapewniajacej wystapienie struktury austenitu nazywany jest
austenityzowaniem i jest stosowany w wiekszosci operacji
obróbki cieplnej.
12
III. Przemiana austenitu w martenzyt – Fe y (C) ÷ Fe' o (C)
Warunkiem zajscia przemiany martenzytycznej jest ochlodzenie austenitu z szybkoscia wieksza od
krytycznej v
k
, do temperatury ponizej M
S
(poczatku przemiany martenzytycznej). Przemiana ma
charakter bezdyfuzyjny, zwiazany z gwaltowna przemiana sieci RSC austenitu w siec tetragonalna
przestrzennie centrowana martenzytu. Tworzace sie zarodki martenzytu rosna z szybkoscia dzwieku
w metalach, dopóki nie natrafia na przeszkode.
Przemiana konczy sie po osiagnieciu temperatury konca przemiany martenzytycznej M
f
. Zawsze
pozostaje pewna ilosc austenitu szczatkowego, zalezna od wartosci temperatur M
S
i M
f
. Udzial
austenitu szczatkowego wzrasta wraz ze zwiekszeniem stezenia wegla w stali.
Zabieg cieplny polegajacy na szybkim ochlodzeniu stali w celu otrzymania struktury martenzytycznej
nazywany jest hartowaniem.
IV. Przemiana martenzytu w mieszanine ferrytu i cementytu – Fe' o (C) ÷ Fe o (C) + Fe
3
C
Metastabilny martenzyt dazy do bardziej stabilnej struktury ferrytu i wegliku zelaza po pewnym
czasie w temperaturach ponizej temperatury eutektoidalnej (A
1
). Proces taki zachodzi podczas
nagrzewania stali po zahartowaniu do temperatury ponizej A
1
. Taka obróbke nazywa sie odpuszcza-
niem. Sila napedowa przemian zachodzacych podczas odpuszczania jest róznica energii swobodnej
miedzy metastabilnym martenzytem a mieszanina faz zlozona z ferrytu i weglików. W czasie
odpuszczania calosc lub czesc martenzytu zawartego w zahartowanej stali rozpada sie, wydzielajac
bardzo drobne ziarna cementytu. Mozna wyróznic kilka stadiów tego procesu (patrz pkt. 32).
23. Scharakteryzuj obróbki cieplne w stalach z wykorzystaniem mozliwych przemian fazowych
LWyzarzanie – polega na nagrzaniu stali do odpowiedniej temperatury i nastepnym powolnym chlo-
dzeniu w celu uzyskania struktury perlitycznej (patrz pkt. 26).
LHartowanie (zwykle) – polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania i nastepnie szybkim
ochlodzeniu w osrodku chlodzacym z predkoscia wieksza od krytycznej, do temperatury nizszej od
temperatury M
S
. Uzyskuje sie strukture martenzytu (patrz pkt. 30).
LOdpuszczanie – polega na wygrzewaniu zahartowanej stali w zakresie temperatur lezacych ponizej
A
1
i nastepnie chlodzeniu do temperatury otoczenia. W czasie odpuszczania calosc lub czesc martenzytu
zawartego w zahartowanej stali rozpada sie, wydzielajac bardzo drobne ziarna cementytu. Mozna
wyróznic kilka stadiów tego procesu (patrz pkt. 32).
24. Scharakteryzuj obróbke cieplna stali przedstawiona na fotografiach
wyzarzanie sferoidyzujace (sferoidyzacja) – patrz pkt. 26
Martenzyt – przesycony roztwór staly wegla w zelazie
13
25. Scharakteryzuj wyzarzanie stali
Wyzarzanie polega na nagrzaniu stali do odpowiedniej
temperatury i nastepnym powolnym chlodzeniu. Celem
wyzarzania jest doprowadzenie stopu (w mniejszym lub
wiekszym stopniu) do stanu równowagi termodynamicznej.
Wyzarzanie mozna sklasyfikowac na operacje:
podczas których przemiany alotropowe nie decyduja
o istocie procesu (ujednorodniajace);
podczas których zachodza przemiany alotropowe
(normalizujace, zupelne, izotermiczne, sferoidyzujace).
podczas których nie zachodza przemiany alotropowe
(rekrystalizujace, odprezajace, stabilizujace);
26. Wyzarzanie stali z przemiana alotropowa
wyzarzanie ujednorodniajace (homogenizujace) –
polega na nagrzaniu stali do temperatury zblizonej do linii solidus (1050 ÷ 1200°C), wygrzaniu
dlugotrwalym w tym zakresie temperatur i nastepnym studzeniu. Celem tej operacji jest ograniczenie
niejednorodnosci skladu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacja;
wyzarzanie normalizujace (normalizowanie) – polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30 ÷
50°C wyzszej od Ac
3
, wygrzaniu w tej temperaturze i nastepnym powolnym studzeniu w powietrzu.
Celem obróbki jest likwidacja struktury Widmannstättena i uzyskanie jednorodnej struktury drobnego
perlitu, a przez to polepszenie wlasnosci mechanicznych oraz przygotowanie struktury przed dalsza
obróbka cieplna;
wyzarzanie zupelne – polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30 ÷ 50°C wyzszej od Ac
3
, Ac
cm
(linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym studzeniu z piecem. Celem obróbki jest
wytworzenie struktury zblizonej do stanu równowagi i zmniejszenie twardosci. Po wyzarzaniu zupel-
nym wystepuje perlit gruby, stal jest miekka i dobrze sie skrawa;
wyzarzanie izotermiczne – odmiana wyzarzania zupelnego, polega na nagrzaniu stali do tempera-
tury o 30 ÷ 50°C wyzszej od Ac
1
, wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim ochlodzeniu do tempe-
ratury ponizej Ar
1
i wytrzymaniu w tej temperaturze, az do zajscia przemiany perlitycznej. Celem
obróbki jest zmniejszenie twardosci;
wyzarzanie sferoidyzujace (sferoidyzacja, zmiekczanie) – polega na nagrzaniu stali do temperatury
zblizonej do Ac
1
, wygrzaniu w tej temperaturze i bardzo wolnym chlodzeniu. Wygrzewanie moze
sie odbywac w temperaturze powyzej albo ponizej temperatury Ac
1
lub stosujac tzw. wyzarzanie
wahadlowe. Uzyskuje sie sferoidyt, czyli cementyt kulkowy w osnowie ferrytu, w wyniku czego
zwieksza sie plastycznosc stali, udarnosc i skrawalnosc.
27. Wyzarzanie stali bez przemiany alotropowej
wyzarzanie rekrystalizujace – polega na nagrzaniu metalu uprzednio odksztalconego plastycznie
na zimno do temperatury wyzszej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i
chlodzeniu z dowolna szybkoscia. Celem obróbki jest usuniecie skutków zgniotu i przywrócenie
plastycznosci;
wyzarzanie odprezajace – polega na nagrzaniu stali do temperatury nizszej od Ac
1
(zwykle ponizej
650°C), wygrzaniu w tej temperaturze i nastepnym powolnym studzeniu. Celem obróbki jest usuniecie
naprezen odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbka plastyczna;
wyzarzanie stabilizujace – odmiana wyzarzania odprezajacego, przeprowadza sie w temperaturze
nizszej niz 150°C w ciagu dlugiego czasu i ma na celu zapewnienie niezmiennosci wymiarowej
oraz zmniejszenie naprezen wlasnych.
14
28. Scharakteryzuj obróbke cieplna stali przedstawiona na fotografiach
wyzarzanie normalizujace (normalizowanie) – patrz pkt. 26
29. Scharakteryzuj struktury stali niestopowej w funkcji szybkosci chlodzenia
Ze wzrostem szybkosci chlodzenia zwieksza sie dyspersja faz (drobnoziarnistosc).
W czasie chlodzenia austenitu, w zaleznosci od szybkosci chlodzenia i temperatury przechlodzenia, moga
zachodzic przemiany:
perlityczna
Przemiana perlityczna zachodzi przy powolnym chlodzeniu stali (w temperaturze A
1
).
Perlit ma budowe plytkowa (sklada sie na przemian z plytek ferrytu i cementytu o
stosunku grubosci 7:1). W zaleznosci od stopnia przechlodzenia mozna uzyskac perlit
gruby lub perlit drobny.
Struktury stali niestopowych chlodzonych z duza szybkoscia róznia sie zdecydowanie
od uzyskanych w warunkach zblizonych do stanu równowagi.
bainityczna
Przy zwiekszonych szybkosciach chlodzenia stali (w temperaturze ok. 550°C) zachodzi
przemiana, w wyniku której z austenitu tworzy sie bainit górny (o strukturze pierzastej),
a przy jeszcze wiekszej szybkosci chlodzenia (w nizszej temperaturze ale powyzej M
S
)
bainit dolny – o strukturze iglastej, skladajacy sie z drobnodyspersyjnych weglików
(Fe
3
C) i ferrytu przesyconego weglem. Ze wzrostem szybkosci chlodzenia zwieksza
sie przesycenie weglem ferrytu oraz dyspersja (drobnoziarnistosc) weglików.
Im szybciej zachodzi przemiana, tym drobniejsza powstaje struktura.
martenzytyczna
Przy predkosci chlodzenia wiekszej od krytycznej zachodzi bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna
(w temperaturze ponizej M
S
), w wyniku której powstaje metastabilna faza, zwana martenzytem.
Martenzyt ma forme igiel, pomiedzy którymi wystepuje austenit szczatkowy. ilosc austenitu szczatko-
wego zalezy od szybkosci chlodzenia.
W zaleznosci od zawartosci wegla w stali mozna uzyskac martenzyt listwowy lub plytkowy.
30. Rodzaje hartowania
W hartowaniu, w przeciwienstwie do wyzarzania, prowadzi sie do powstania struktury odbiegajacej
od stanu równowagi termodynamicznej. Celem obróbki hartowania jest zwiekszenie twardosci, kosztem
obnizenia ciagliwosci. Wszystkie rodzaje hartowania poprzedzone sa procesem austenityzowania (nagrze-
wania majacego na celu otrzymanie struktury austenitycznej). Wyrózniamy:
hartowanie zwykle – po austenityzowaniu, nastepuje szybkie chlodzenie w wodzie lub oleju (z
predkoscia wieksza od krytycznej), do temperatury nizszej od temperatury M
S
(poczatku przemiany
martenzytycznej). Uzyskuje sie strukture martenzytu, dzieki czemu hartowane wyroby charakteryzuja
sie wysokimi wlasnosciami wytrzymalosciowymi, niskimi wlasnosciami plastycznymi i duza kru-
choscia. Moga wystapic pekniecia hartownicze spowodowane duza róznica temperatur warstwy
powierzchniowej i rdzenia przedmiotu. W przypadku stali weglowych stosuje sie wode, a stali stopo-
wych lagodniejsze srodki chlodzace (zwykle olej);
hartowanie stopniowe (martenzytyczne) – polega na oziebianiu stali w kapieli (np. solnej) o
temperaturze wyzszej od M
S
i wytrzymaniu, az do wyrównania temperatury na calym przekroju
15
obrabianego przedmiotu, nie dopuszczajac do rozpoczecia przemiany bainitycznej. Po tym nastepuje
wolne chlodzenie np. na powietrzu, podczas którego zachodzi przemiana austenitu w martenzyt.
Dzieki takiemu chlodzeniu uzyskuje sie mniejsze naprezenia i unika sie pekniec hartowniczych;
hartowanie izotermiczne (bainityczne) – przeprowadza sie podobnie jak w przypadku hartowania
stopniowego, z tym ze czas wytrzymania w kapieli izotermicznej powieksza sie, az do czasu zakon-
czenia przemiany bainitycznej, po czym dalsze chlodzenie moze odbywac sie na spokojnym powietrzu.
Wyroby o strukturze bainitycznej sa wytrzymale, twarde i pozbawione pekniec;
hartowanie powierzchniowe – polega na wytwarzaniu struktury martenzytycznej jedynie w cienkiej
warstwie przypowierzchniowej, nie wywolujac zmian strukturalnych w rdzeniu przedmiotu.
Przyklady metod hartowania powierzchniowego: indukcyjne, plomieniowe, wiazka laserowa, wiazka
elektronowa.
31. W jakim celu stosujemy wymrazanie stali niestopowej
Wymrazanie (obróbka podzerowa) jest procesem majacym na celu podwyzszenie wytrzymalosci i
twardosci obrabianego materialu. Polega na chlodzeniu stali bezposrednio po hartowaniu do temperatury
ponizej 0°C, wychlodzeniu w tej temperaturze i nastepnie ogrzaniu do temperatury pokojowej.
Korzystny efekt wymrazania jest zwiazany ze zmniejszeniem udzialu austenitu szczatkowego w stru-
kturze stali, co powoduje zwiekszenie udzialu martenzytu. Zabieg ten sprzyja jednak zwiekszeniu napre-
zen cieplnych i strukturalnych, co moze byc przyczyna odksztalcen i pekniec.
32. Obróbki cieplne po hartowaniu
Odpuszczanie – polega na wygrzewaniu zahartowanej stali w zakresie temperatur lezacych ponizej A
1
i nastepnie chlodzeniu do temperatury otoczenia. Czas obróbki na ogól nie przekracza 2 godzin.
Glównym celem obróbki jest zwiekszenie plastycznosci, ciagliwosci oraz zmniejszenie naprezen wlasnych,
kosztem obnizenia twardosci materialu. W zaleznosci od temperatury wygrzewania rozróznia sie:
odpuszczanie niskie (150 ÷ 250°C) – które ma na celu usuniecie naprezen hartowniczych, przy
zachowaniu wysokiej twardosci i wytrzymalosci;
odpuszczanie srednie (250 ÷ 500°C) – celem jest uzyskanie wysokiej sprezystosci oraz utrzymanie
wysokiej wytrzymalosci. Twardosc ulega przy tym obnizeniu;
odpuszczanie wysokie (500°C ÷ A
1
) – ma na celu uzyskanie bardzo wysokiej udarnosci, przy mozliwie
jeszcze dobrej wytrzymalosci.
Sila napedowa przemian zachodzacych podczas odpuszczania jest róznica energii swobodnej miedzy
metastabilnym martenzytem a mieszanina faz zlozona z ferrytu i weglików.
W zaleznosci od temp. mozna wyróznic kilka stadiów odpuszczania:
I stadium odpuszczania (80 ÷ 200°C) – jest zwiazane z wydzielaniem sie
wegla z martenzytu w postaci bardzo drobnych weglików zelaza e (Fe
2
C).
Wydzielanie weglika wywoluje zmniejszenie zawartosci wegla w martenzycie,
co z kolei powoduje zmniejszenie tetragonalnosci martenzytu i tworzenie sie
martenzytu o sieci regularnej, zwanego martenzytem odpuszczonym;
II stadium odpuszczania (200 ÷ 300°C) – nastepuje rozklad austenitu szcza-
tkowego na mieszanine ferrytu i weglika zelaza .
Przemiana austenitu szczatkowego pociaga za soba wzrost objetosci;
III stadium odpuszczania (300 ÷ 400°C) – polega na rozpuszczaniu sie weglika
c w osnowie ferrytycznej i wydzielaniu sie cementytu ksztaltu kulistego (Fe
3
C).
Powstala strukture nazywa sie troostytem, który jest mieszanina ferrytu i cemen-
tytu o bardzo duzej dyspersyjnosci tych faz.
Objetosc zmniejsza sie, zanikaja naprezenia;
IV stadium odpuszczania (400°C ÷ A
1
) – nastepuje koagulacja wydzielen cemen-
tytu w osnowie ferrytycznej i tworzy sie struktura zwana sorbitem. Struktura
sorbityczna wykazuje bardzo dobra ciagliwosc. Dalsze nagrzewanie w tempera-
turach bliskich 700°C wywoluje dalsza koagulacje cementytu do wielkosci
widocznej pod mikroskopem. Struktura taka nosi nazwe sferoidytu –
cementytu kulkowego w osnowie ferrytu.
16
Z odpuszczaniem wiaze sie zjawisko kruchosci odpuszczania (obnizenie udarnosci stali):
kruchosc odpuszczania I rodzaju (nieodwracalna) – wystepuje we wszystkich stalach, powstaje
podczas odpuszczania przy temperaturze ok. 300°C i jest zwiazana z nierównomiernym rozkladem
martenzytu, który najintensywniej przebiega na granicach ziaren, powodujac tym samym wzrost
naprezen sieciowych, co prowadzi do kruchego pekania.
kruchosci odpuszczania II rodzaju (odwracalna) – wystepuje w stalach stopowych zawierajacych
Ni, Cr, Mn i ujawnia sie podczas powolnego chlodzenia stali stopowej z temperatury ok. 500°C.
Zjawisko to jest zwiazane z intensywniejszym wydzielaniem sie na granicach weglików stopowych
niz w samych ziarnach, co zubaza granice ziarn w pierwiastki stopowe i tym samym wywoluje segre-
gacje fosforu do tych granic i oslabienie polaczen ziarn.
Efekt twardosci wtórnej – zachodzi w stalach stopowych przy wysokim odpuszczaniu (500 ÷ 550°C)
i jest zwiazany z wydzielaniem sie dyspersyjnych weglików pierwiastków stopowych koherentnych z
osnowa martenzytyczna, co jest przyczyna wzrostu twardosci.
Ulepszanie cieplne – jest to hartowanie polaczone z odpuszczaniem w wysokich temperaturach (500 ÷
670°C). Celem ulepszania cieplnego jest, przez rozdrobnienie budowy, uzyskanie wysokich wlasnosci
wytrzymalosciowych przy optymalnych wlasnosciach plastycznych. Miara skutecznosci ulepszania
cieplnego jest stosunek R
e
/R
m
.
Utwardzanie cieplne – jest to hartowanie polaczone z odpuszczaniem niskim.
33. Wplyw szybkosci chlodzenia na wlasciwosci mechaniczne stali niestopowej
Ze wzrostem szybkosci chlodzenia zwieksza sie dyspersja faz (drobnoziarnistosc). Ma to swoje odzwier-
ciedlenie w zmianie wlasciwosci mechanicznych uzyskiwanych struktur. Im wieksza szybkosc chlo-
dzenia, tym wyzsze wlasciwosci wytrzymalosciowe stali.
W czasie chlodzenia austenitu, w zaleznosci od szybkosci chlodzenia i temperatury przechlodzenia, moga
zachodzic przemiany:
perlityczna
Przemiana perlityczna zachodzi przy powolnym chlodzeniu stali (w temperaturze A
1
).
Perlit ma dobre wlasciwosci wytrzymalosciowe lecz slabe wlasciwosci plastyczne:
twardosc 200 HB, R
m
= 700 ÷ 800 MPa, wydluzenie A - 8%.
W zaleznosci od stopnia przechlodzenia mozna uzyskac perlit gruby lub drobny. Wytrzymalosc i
twardosc rosna w miare rozdrabniania struktury perlitu.
bainityczna
Przy zwiekszonych szybkosciach chlodzenia stali (temperaturach 550 ÷ 200°C) zachodzi przemiana,
w wyniku której z austenitu tworzy sie bainit. Twardosc i wytrzymalosc bainitu sa posrednie miedzy
wlasnosciami perlitu i martenzytu oraz rosna w miare obnizania temperatury przemiany. Twardosc
bainitu dolnego jest zblizona do twardosci martenzytu (55 HRC).
martenzytyczna
Przy predkosci chlodzenia wiekszej od krytycznej zachodzi bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna
(w temperaturze ponizej M
S
), w wyniku której powstaje metastabilna faza, zwana martenzytem.
Martenzyt cechuje sie duza twardoscia i mala ciagliwoscia:
twardosc 600 HB, R
m
= 1800 MPa, wydluzenie A < 1%.
34. Rozwój stali niskostopowych o podwyzszonej wytrzymalosci
W wyniku rosnacych wymagan przemyslu opracowano szereg gatunków stali niskostopowych, odznacza-
iacymi sie lepszymi wlasciwosciami niz stale weglowe.
Stawiane wymagania przemyslu (glównie samochodowego):
wysoka glebokotlocznosc (dobra podatnosc do ksztaltowania dalsza obróbka plastyczna na zimno);
tanie ksztaltowanie wyrobów o zlozonych ksztaltach (bez pekniec, przewezen);
latwo spawalne i zgrzewalne (podstawowy sposób laczenia);
wysoka jakosc powierzchni i waskie tolerancje wymiarowe;
niska cena stali.
17
W latach 60' narodzila sie tendencja, by w stalach zmniejszac zawartosc wegla (ponizej 0,05% C),
obnizac poziom zanieczyszczen, a wzrost wlasciwosci wytrzymalosciowych uzyskiwac poprzez obróbke
plastyczna na zimno. Nastepnie do stali zaczeto dodawac nieznaczne ilosci dodatków stopowych (Nb,
Ti, V < 0,1%), które hamujac rozrost ziarna zapewnialy znaczny wzrost wlasciwosci wytrzymalosciowych.
Stale te nazwano stalami:
HSLA (High Strength Low Alloy) – stale niskostopowe o podwyzszonej wytrzymalosci, umacnianie
wydzieleniowo (Nb, Ti, V) lub roztworowo (P, Mn, Si);
Kolejne gatunki stali o podwyzszonej wytrzymalosci opracowanych na przestrzeni ostatnich lat:
DP (Dual Phase) – stale o strukturze dwufazowej ferrytyczno-martenzytycznej (wyspy martenzytu w osnowie
drobnoziarnistego ferrytu + male ilosci austenitu szczatkowego);
BH (Bake Hardenable) – stale umacniane w procesie wypalania lakieru na gotowej karoserii (w temperaturze
ok. 170°C ÷ tworzenie atmosfer Cottrella);
IF-HS (Interstitial Free) – stale wolne od atomów miedzywezlowych (C, N), umacniane roztworowo (P, B);
IS (Isotropic Steel) – stale o izotropowej plastycznosci (specjalnie rozdrobnione ziarna - Ti);
Stale umacnianie przez przemiane fazowa:
TRIP (Transformation Induced Plasticity) – o strukturze zlozonej z ferrytu, bainitu i duzej ilosci austenitu
szczatkowego, który ulega przemianie w martenzyt w wyniku odksztalcenia plastycznego;
CP (Complex Phase) – o zlozonym skladzie fazowym;
PM (Partially Martensitic);
TWIP (Twinning Induced Plasticity) – stale umacniane przez blizniakowanie (mechaniczne), o wysokiej
zawartosci manganu i dodatków (Si, Al); wykazuje nawet do 95% wydluzenia.
35. Mechanizm umacniania stali HSLA
przez umocnienie wydzieleniowe ÷ dodatki stopowe Nb, Ti, V, Al (do 0,15%) wiazac pierwiastki
miedzywezlowe (C, N) tworza dyspersyjne stabilne wegliki, azotki i weglikoazotki, które wydzielajac
sie na granicach ziaren austenitu hamuja ich rozrost (spowalniaja rekrystalizacje austenitu) podczas
obróbki plastycznej, np. walcowania na goraco.
przez rozdrobnienie ziarna ÷ zmniejszenie sredniej wielkosci ziaren w stali powoduje wzrost
wytrzymalosci zgodnie z zaleznoscia Halla-Petcha (patrz pkt. 21) oraz obnizenie progu kruchosci
T
k
(temperature przejscia w stan kruchy?).
przez umocnienie roztworowe (stale HSLA umacniane roztworowo P, Mn, Si) ÷ atomy pierwiastka
rozpuszczonego róznia sie od atomów rozpuszczalnika rozmiarami i z tego powodu rozmieszczone
przypadkowo atomy pierwiastka rozpuszczonego oddzialuja na dyslokacje i utrudniaja ich przemie-
szczenie, co w efekcie umacnia stal.
Stale HSLA (High Strength Low Alloy) – stale niskostopowe o podwyzszonej wytrzymalosci, umacnianie
wydzieleniowo, zawierajace mikrododatki (Nb, Ti, V, Al < 0,15%) w osnowie ferrytu (lub ferrytu-
perlitu). Poza wysoka wytrzymaloscia (450 MPa) i odpornoscia na kruche pekanie, stale HSLA chara-
kteryzuja sie duza podatnoscia na odksztalcenie w niskich temperaturach i bardzo dobra spawalnoscia.
H S L A 3 5 0 / 4 5 0
36. Mechanizm umacniania stali DP
przez wyzarzanie miedzykrytyczne (obróbka cieplna) – polega na dostatecznie szybkim chlodzeniu
po wyzarzaniu z zakresu temperatur wspólistnienia faz austenitu i ferrytu (A
1
- A
3
). Podczas
szybkiego chlodzenia austenit przemienia sie w martenzyt (ferryt przemianie nie podlega) i tworzy
sie struktura dwufazowa ferrytyczno-martenzytyczna.
przez obróbke cieplno-chemiczna polegajaca na integracji obróbki cieplnej i obróbki plastycznej
(walcowanie) z nastepujacym chlodzeniem - dzieki tym zabiegom otrzymuje sie nieco bardziej
drobnoziarnista strukture i w konsekwencji lepsze wlasciwosci mechaniczne.
Stale DP (Dual Phase) – stale o strukturze dwufazowej ferrytyczno-martenzytycznej. Martenzyt w
ilosci 15 ÷ 30% objetosci struktury rozmieszczony jest w postaci niewielkich wysepek w osnowie
ferrytu (70 ÷ 75%). Moga wystapic male ilosci austenitu szczatkowego (5 ÷ 10%). Obecnosc twardej
fazy martenzytycznej jest przyczyna wysokiego umocnienia stali (R
m
osiaga 1000 MPa przy wydluzeniu
ok. kilkunastu %). Stale DP charakteryzuja sie ponadto wysoka podatnoscia na tloczenie i odpornoscia
na pekanie w niskiej temperaturze. D P 3 5 0 / 6 0 0
18
37. Umacnianie stali TRIP
przez regulowane walcowanie – polega na swiadomym obnizaniu temperatury walcowania podczas
kolejnych przejsc walcowniczych, by nie dopuscic do rozrostu ziarna austenitu. Powoduje rozdro-
bnienie ziaren austenitu, a w efekcie ferrytu, zwiekszenie gestosci dyslokacji w ferrycie i wydzielenie
drobnodyspersyjnych faz (weglików, azotków czy weglikoazotków).
Stale TRIP (Transformation Induced Plasticity) – stale umacniane przemiana fazowa, o strukturze
zlozonej z ferrytu, bainitu i duzej ilosci austenitu szczatkowego, który ulega przemianie w martenzyt
w wyniku odksztalcenia plastycznego. Charakteryzuja sie wysoka wytrzymaloscia R
m
nawet do 1200
MPa przy wydluzeniu A w granicach 20 ÷ 40%. Duza ciagliwosc zawdzieczaja przemianie fazowej
zachodzacej podczas odksztalcania (przeciwdziala pojawieniu sie przewezenia). Maja duza zdolnosc
do pochlaniania energii uderzenia. T R I P 3 5 0 / 6 0 0
38. Charakterystyka i podzial zeliw
Zeliwa sa stopami odlewniczymi zelaza z weglem o zawartosci wegla powyzej 2% (zazwyczaj w zakresie
2 ÷ 5%) oraz dodatków manganu i krzemu. Charakteryzuja sie dobra zdolnoscia do tlumienia drgan,
dobra lejnoscia, nizsza od stali temperatura topnienia, dobra skrawalnoscia i odpornoscia na korozje.
Wegiel w zeliwach moze wystepowac w stanie wolnym jako grafit (o róznych ksztaltach) lub w postaci
zwiazanej w cementycie.
zeliwa biale, w których caly wegiel jest w postaci zwiazanej w cementycie. Powoduje to, ze zeliwa
biale sa twarde i odporne na scieranie, lecz kruche i trudno obrabialne. Podzial tych zeliw i ich stru-
ktury interpretuje sie na podstawie ukladu Fe-Fe
3
C. Stanowia material posredni do produkcji zeliw
ciagliwych, po za tym nie znalazly bezposredniego zastosowania.
zeliwa polowiczne – maja strukture stanowiaca mieszanine struktur typowych zarówno dla zeliw
szarych, jak i bialych, zwiazku z tym wykazuja wlasciwosci posrednie. Niekiedy stosowane sa tzw.
zeliwa zabielone – biale na powierzchni i szare w rdzeniu. Miedzy twarda warstwa zewnetrzna a
plastycznym rdzeniem wystepuje warstwa posrednia o strukturze zeliwa polowicznego. Zastosowania:
walce hutnicze, bebny mlynów.
zeliwa szare, w których wegiel wystepuje w postaci grafitu. Mozna je podzielic na trzy grupy:
zeliwa szare zwykle, w których grafit wystepuje w postaci duzych platków. Grafit platkowy o cech-
ach zaleznych od predkosci chlodzenia i skladu chemicznego. Zeliwa szare cechuje znakomita
zdolnosc do tlumienia drgan i dobra odpornosc na zuzycie, odznaczaja sie niska wytrzymaloscia
na rozciaganie i zginanie, przy dobrej wytrzymalosci na sciskanie.
W zaleznosci od struktury osnowy wyróznia sie:
zeliwa szare ferrytyczne, w których caly wegiel zawarty w zeliwie jest w postaci grafitu;
E N - G J L - 1 0 0
zeliwa szare ferrytyczno-perlityczne, w których ilosc wegla zwiazanego jest mniejsza niz 0,8%;
E N - G J L - 1 5 0
zeliwa szare perlityczne, w których wegiel jest w postaci zwiazanej w ilosci 0,8%.
E N - G J L - 2 0 0
19
Twardosc i wytrzymalosc zeliwa szarego zwieksza sie w miare zwiekszania udzialu perlitu. W
strukturze zeliwa szarego wystepuja równiez steadyt (eutektyka fosforowa) i wtracenia nie-
metaliczne. Zastosowania: korpusy maszyn, tloki, pierscienie slizgowe.
zeliwa modyfikowane, w których grafit wystepuje w postaci bardzo drobnych platków, równo-
miernie rozmieszczonych. Uzyskuje sie je dzieki modyfikatorom, które dodaje sie do zeliwa przed
odlaniem w ilosci do ok. 1%. Sa to substancje zwiekszajace ilosc zarodków krystalizacji grafitu,
np. zelazokrzem (Si + 30% Fe oraz dodatki Ca, Al, Ni, Ti). Rozdrobnienie zeliwa wplywa na
poprawienie jego wlasciwosci odlewniczych i wytrzymalosciowych. Celem modyfikacji jest
równiez uniezaleznienie ksztaltu, wielkosci i sposobu rozmieszczenia grafitu od grubosci scianki.
Najkorzystniejsze wlasnosci ma zeliwo modyfikowane o osnowie perlitycznej R
m
= 350 ÷ 450 MPa.
E N - G J L - 2 5 0 E N - G J L - 3 0 0 E N - G J L - 3 5 0
zeliwa sferoidalne (podwójnie modyfikowane), w których grafit wystepuje w postaci kulek.
Uzyskuje sie to przez dodanie do zeliwa przed odlaniem (oprócz modyfikatora) magnezu lub
ceru (lub obu pierwiastków razem).
Przed modyfikowaniem kapiel metalowa wymaga specjalnego odsiarczania (< 0,03% S) w celu
zapobiegniecia powstawania siarczków pierwiastków modyfikujacych. Ze wzgledu na niska tempe-
rature topnienia i wrzenia magnezu, modyfikatory wprowadza sie bezposrednio w struge metalu
wlewanego do formy.
Zeliwa sferoidalne wykazuja bardzo dobre wlasciwosci zarówno wytrzymalosciowe, jak i plasty-
czne. W zaleznosci od struktury osnowy zeliwo sferoidalne moze byc ferrytyczne, ferrytyczno-
perlityczne lub perlityczne, przy czym wyzsza wytrzymalosc i twardosc odpowiada strukturze
perlitycznej, a wyzsza plastycznosc – ferrytycznej. Zastosowania: elementy maszyn, czesci samo-
chodowe (walki rozrzadu, korbowody, waly korbowe), wrzeciona obrabiarek.
ferrytyczne ferrytyczno-perlityczne perlityczne po obróbce cieplnej
E N - G J S - 3 5 0 - 2 2
E N - G J S - 4 0 0 - 1 8
E N - G J S - 4 5 0 - 1 0
E N - G J S - 5 0 0 - 7
E N - G J S - 6 0 0 - 3
E N - G J S - 7 0 0 - 2 E N - G J S - 8 0 0 - 2
E N - G J S - 9 0 0 - 2
Dobierajac odpowiednia obróbke cieplna mozna w zeliwie otrzymac rózne metaliczne osnowy:
perlit, ferryt, martenzyt i bainit.
W wyniku hartowania z przemiana izotermiczna w temperaturze 400 ÷ 250°C uzyskuje sie tzw.
zeliwo sferoidalne ADI (Austempered Ductile Iron) o osnowie austenityczno-ferrytycznej.
Charakteryzuje sie duza odpornoscia na zuzycie i zmeczenie oraz bardzo dobra kombinacja
wytrzymalosci i ciagliwosci: R
m
= 800 ÷ 1400 MPa, A = 8 ÷ 1%. Zastosowania: waly korbowe,
kola zebate, korbowody, tarcze hamulcowe.
zeliwa ciagliwe – sa otrzymywane z zeliwa bialego w wyniku dlugotrwalego wyzarzania grafity-
zujacego. Podczas tej operacji cementyt ulega rozpadowi i wydziela sie tzw. wegiel zarzenia (grafit
zarzenia) w postaci klaczkowatych skupien.
Zeliwo ciagliwe charakteryzuje sie dobrymi wlasnosciami wytrzymalosciowymi i plastycznymi oraz
dobra skrawalnoscia. Laczy w sobie dobre wlasnosci odlewnicze zeliwa z dobrymi wlasnosciami
mechanicznymi staliwa. Zastosowania: w przemysle samochodowym, ciagnikowym, czesci maszyn
rolniczych, klucze maszynowe.
W zaleznosci od parametrów procesu technologicznego wyróznia sie:
zeliwa ciagliwe biale – otrzymuje sie przez wyzarzanie zeliwa bialego w atmosferze utleniajacej
(odweglajacej), w wyniku czego nastepuje rozklad cementytu na grafit i odweglenie (na skutek
wydyfundowywania wegla na zewnatrz).
Stopien odweglenia zalezy od grubosci scianki: w warstwie przypowierzchniowej (3 ÷ 5 mm)
zachodzi zupelne odweglenie i wystepuje sam ferryt, natomiast w rdzeniu, w przedmiotach o
wiekszej grubosci scianek (powyzej 10 mm) wystepuje wegiel zarzenia na tle osnowy ferrytyczno-
perlitycznej (przelom jest jasny).
E N - G J M W - 3 6 0 - 1 2 E N - G J M W - 4 0 0 - 5 E N - G J M W - 5 5 0 - 4
zeliwa ciagliwe czarne – otrzymuje sie przez wyzarzanie zeliwa bialego w atmosferze obojetnej,
w wyniku czego nastepuje jedynie rozklad cementytu na grafit. Wegiel zarzenia wystepuje na tle
osnowy ferrytycznej (ciemny przelom).
E N - G J M B - 3 5 0 - 1 0 E N - G J M B - 5 0 0 - 5
20
zeliwa ciagliwe perlityczne – odmiana zeliwa ciagliwego czarnego, otrzymuje sie równiez przez
wyzarzanie zeliwa bialego w atmosferze obojetnej z tym, ze proces grafityzacji nie przeprowadza
sie do konca, dzieki czemu w strukturze zachowuje sie czesc cementytu. W konsekwencji uzy-
skuje sie wegiel zarzenia w osnowie perlitycznej.
E N - G J M B - 6 0 0 - 3 E N - G J M B - 8 0 0 - 1
zeliwa stopowe oprócz domieszek zawieraja dodatki stopowe. Moga zawierac Ni, Cr, Mo, W, V, Cu
i inne pierwiastki. Pierwiastki te sa dodawane w celu nadania im specjalnych wlasnosci, np. anty-
korozyjnych, zaroodpornych lub w celu podwyzszenia ich wlasnosci wytrzymalosciowych, odporno-
sci na scieranie.
W zaleznosci od wlasnosci i zastosowania wyróznia sie:
zeliwa stopowe zaroodporne, np. zeliwa wysokoniklowe (20% Ni) - odporne na obciazenia mechaniczne
w temperaturze do ok. 800°C;
zeliwa stopowe odporne na korozje (Si, Cr, Ni), np. zeliwa austenityczne - zeliwa te sa równiez odporne
na podwyzszona temperature oraz maja specjalne wlasciwosci, np. mala rozszerzalnosc i sa niemagnetyczne
(stosowane w przemysle elektrotechnicznym);
zeliwa stopowe odporne na scieranie, np. zeliwa antymonowe - stosowane na klocki hamulcowe i elementy
sprzegiel.
39. Scharakteryzuj proces grafityzacji
Z cieczy grafit zarodkuje trudniej niz cementyt, poniewaz do utworzenia
zarodka grafitu wymagane jest wieksze przemieszczenie atomów wegla
i zelaza niz w przypadku utworzenia zarodka cementytu. Grafit jest faza
bardziej trwala niz cementyt. Energia swobodna mieszaniny austenit +
cementyt (F
A+C
) jest wieksza od mieszaniny austenit + grafit (F
A+G
).
W stanie stalym proces grafityzacji polega na rozkladzie metastabilnego
cementytu zgodnie z reakcja:
ponizej A
1
Fe
3
C ÷ C
grafit
+ o
powyzej A
1
Fe
3
C ÷ C
grafit
+ y
Sklonnosc do grafityzacji zalezy od skladu chemicznego zeliwa.
Pierwiastki sprzyjajace grafityzacji (destabilizujace cementyt):
Si (0,3 ÷ 5%) – jego wplyw traktowany jest jako poziom odniesienia,
Al – trzykrotnie wiekszy wplyw ale rzadko stosowany,
C – im wiecej wegla w stopie tym mniej trwaly cementyt,
P (0,1 ÷ 1,0%) – tworzy niskotopliwa (953°C) eutektyke fosforowa ( + Fe
3
C+ Fe
3
P) zwana
steadytem - zwieksza kruchosc, poprawia lejnosc i podwyzsza odpornosc na scieranie,
Ni, Cu.
21
Pierwiastki przeciwdzialajace grafityzacji (zwiekszajace sklonnosc do zabielania):
Mn (0,4 ÷ 1,4%) – hamuje grafityzacje w nizszych temperaturach, wiaze bardzo szkodliwa siarke
w niegrozny siarczek manganu (MnS),
S (do 0,1%) – zmniejsza lejnosc, zwieksza skurcz i kruchosc.
Na grafityzacje istotny wplyw ma równiez szybkosc chlodzenia: im mniejsza szybkosc chlodzenia
odlewu (wieksza grubosci scianki), tym latwiej przebiega proces grafityzacji:
wplyw zawartosci C i Si na strukture osnowy metalicznej
zeliw szarych (dla grubosci scianki 55 mm)
wplyw szybkosci chlodzenia (grubosci scianki) na strukture osnowy
metalicznej zeliw szarych
40. Wplyw postaci i zawartosci wegla na wlasciwosci zeliwa szarego
Twardosc i wytrzymalosc zeliwa szarego zwieksza sie wraz ze zwiekszaniem w strukturze udzialu perlitu,
który sklada sie z wegla w postaci zwiazanej w cementycie.
Wlasciwosci zeliwa szarego bardziej zaleza od ksztaltu wydzielen grafitu, czyli wegla w postaci wolnej.
Jesli grafit wydzieli sie w postaci duzych platków to wytrzymalosc zeliwa na obciazenia dynamiczne
bedzie mala, poniewaz platki te oslabiaja material. Rozdrobnienie i równomiernie rozmieszczenie platków
grafitu prowadzi do poprawienia wlasciwosci odlewniczych i wytrzymalosciowych (R
m
nawet do 450
MPa). Zeliwa modyfikowane, podobnie jak zeliwa szare zwykle, wykazuja jednak bardzo niskie wla-
snosci plastyczne. Jeszcze lepsze wlasnosci wytrzymalosciowe przy zachowaniu niezlej plastycznosci
uzyskuje sie poprzez zmiane mechanizmu tworzenia grafitu tak, aby wydzielil sie w ksztalcie kulek.
Zeliwo wermikularne, w których grafit jest w postaci posredniej miedzy grafitem platkowym a sfero-
idalnym, laczy zalety zeliwa szarego i zeliwa sferoidalnego. Klaczkowa postac grafitu wplywa korzystnie
na wlasciwosci mechaniczne zeliwa.
Wieksza ilosc grafitu zmniejsza wytrzymalosc na rozciaganie i ciagliwosc, ale zachowuje wysoka wytrzy-
malosc i plastycznosc zeliwa przy sciskaniu. Obecnosc grafitu sprzyja równiez tlumieniu drgan, polepsza
skrawalnosc, zwieksza wlasnosci slizgowe, zmniejsza skurcz odlewniczy, powoduje zwiekszenie wytrzy-
malosci zmeczeniowej.
41. Otrzymywanie zeliwa ciagliwego bialego
Zeliwo ciagliwe biale otrzymuje sie przez wyzarzanie odlewów w piecach z atmosfera utleniajaca.
Wyzarzanie przeprowadza sie w temperaturze 1000 ÷ 1050°C i czasie do 80 h, a nastepnie chlodzi sie
w powietrzu. W wyniku tej operacji nastepuje rozpad cementytu i dyfuzja wegla (odweglenie).
22
Otrzymana struktura zalezy glównie od grubosci scianki: w warstwie przypowierzchniowej (3 ÷ 5 mm)
zachodzi zupelne odweglenie i wystepuje sam ferryt, natomiast w rdzeniu, w przedmiotach o wiekszej
grubosci scianek (powyzej 10 mm) wystepuje wegiel zarzenia na tle osnowy ferrytyczno-perlitycznej.
Odlewów o grubosciach scianek wiekszych od 20 mm nie produkuje sie ta metoda.
42. Otrzymywanie zeliwa ciagliwego czarnego
Zeliwo ciagliwe czarne otrzymuje sie przez wyzarzanie odlewów w piecach z regulowana atmosfera
(obojetna). Wyzarzanie przeprowadza sie w dwóch okresach: I – w temperaturze 950 ÷ 1000°C w celu
rozlozenia cementytu ledeburytycznego (15 h) i II – w temperaturze 800 ÷ 740°C w celu rozlozenia
cementytu eutektoidalnego (30 h), a nastepnie chlodzi sie w powietrzu. W wyniku tego zabiegu uzyskuje
sie wegiel zarzenia na tle osnowy ferrytycznej.
43. Otrzymywanie zeliwa ciagliwego perlitycznego
Zeliwo ciagliwe perlityczne otrzymuje sie przez wyzarzanie odlewów w piecach z atmosfera obojetna.
Wyzarzanie przeprowadza sie w temperaturze 950 ÷ 1000°C przez okres ok. 15 h, a nastepnie szybko
chlodzi sie w celu zachowania w strukturze czesc cementytu zawartego w perlicie. Dzieki temu uzyskuje
sie wegiel zarzenia na tle osnowie perlitycznej.
44. Porównaj wlasciwosci mechaniczne znanych rodzajów zeliwa
zeliwo biale – twarde i odporne na scieranie, lecz kruche i trudno obrabialne.
Nie znalazly bezposredniego zastosowania.
zeliwo szare – odznacza sie niska plastycznoscia, niska wytrzymaloscia na rozciaganie i zginanie,
przy dosc dobrej wytrzymalosci na sciskanie. W porównaniu z zeliwem bialym ma mniejsza twar-
dosc, ale wieksza ciagliwosc i posiada mniejszy skurcz odlewniczy (ponizej 1%). Zeliwa szare
cechuje wysoka zdolnosc do tlumienia drgan i dobra odpornosc na scieranie. Rozdrobnienie zeliwa
wplywa na poprawienie jego wlasnosci odlewniczych i wytrzymalosciowych.
Wytrzymalosc R
m
zeliwa szarego perlitycznego dochodzi do 350 ÷ 450 MPa.
zeliwo sferoidalne – w odróznieniu od pozostalych grup zeliw szarych ma bardzo dobre wlasnosci
zarówno wytrzymalosciowe, jak i plastyczne.
Wydluzenie A takich zeliw dochodzi do 22% a wytrzymalosc R
m
do 900 MPa.
zeliwo sferoidalne ADI – dzieki dodatkowej obróbce cieplnej i uzyskanym dzieki temu wlasci-
wosciom mechanicznym moze z powodzeniem konkurowac ze stala. Ma wyzsze wlasciwosci
wytrzymalosciowe w porównaniu z zeliwami sferoidalnymi zwyklymi.
23
Charakteryzuje sie duza odpornoscia na zuzycie i zmeczenie oraz bardzo dobra kombinacja
wytrzymalosci i ciagliwosci: R
m
= 800 ÷ 1400 MPa, A = 8 ÷ 1%.
zeliwo ciagliwe – charakteryzuje sie dobrymi wlasciwosciami wytrzymalosciowymi i plastycznymi
oraz dobra skrawalnoscia. Laczy w sobie dobre wlasciwosci odlewnicze zeliwa z dobrymi wlasci-
wosciami mechanicznymi staliwa.
Zeliwo to ma wysoka wytrzymalosc na rozciaganie R
m
dochodzaca do 800 MPa.
45. Cel stosowania i podzial dodatków stopowych stali
Dodatki stopowe sa wprowadzane do stali w celu:
wywolania pozadanych zmian strukturalnych;
uzyskanie okreslonych wlasciwosci wytrzymalosciowych;
uzyskanie okreslonych wlasciwosci chemicznych lub fizycznych;
podwyzszenie hartownosci;
ulatwienie technologii i polepszenie efektów obróbki cieplnej.
Podzial dodatków stopowych zgodnie z klasyfikacja Wevera:
austenitotwórcze (Mn, Ni, Co) – rozszerzajace obszar wystepowania austenitu . Do tej grupy
naleza pierwiastki, które podwyzszaja temperature A
4
i obnizaja A
3
(temperatury przemian alotro-
powych). Przy odpowiedniej zawartosci, pierwiastki te tworza z zelazem uklad z otwartym polem
austenitu, co oznacza, ze nie zachodza zadne przemiany fazowe az do temperatury solidusu.
ferrytotwórcze (Cr, W, V, Mo, Si, Ti, Al) – zwezajace obszar wystepowania austenitu . Do tej
grupy naleza pierwiastki, które obnizaja temperature A
4
i podwyzszaja A
3
. Przy odpowiedniej zawar-
tosci, pierwiastki te tworza z zelazem uklad z zamknietym polem austenitu (brak przemian fazo-
wych od temperatury pokojowej do solidusu).
Dodatki stopowe w zaleznosci od ilosc i rodzaju moga:
rozpuszczac sie w ferrycie lub austenicie ;
tworzyc wegliki, azotki lub weglikoazotki;
tworzyc fazy miedzymetaliczne z Fe lub miedzy soba:
fazy sigma FeCr, FeMo, FeV – powoduja kruchosc
fazy Laversa (A
2
B) Fe
2
Ti, Fe
2
Nb, Fe
2
Ta – róznica w srednicach atomowych 6 ÷ 40%
fazy miedzymetaliczne (AB
3
) Ni
3
Al, Ni
3
Mo – umocnienie wydzieleniowe
tworzyc zwiazki z domieszkami (np. S, O
2
).
Wplyw pierwiastków stopowych na punkty krytyczne ukladu Fe-Fe
3
C (S, E):
Przesuniecie linii A
cm
w lewo, czyli do mniejszego stezenia wegla, powoduja prawie wszystkie
pierwiastki stopowe. Sprzyja to tworzeniu struktury perlitycznej oraz wydzielaniu weglików.
Przesuwanie temperatury przemiany eutektoidalnej (linia A
1
) ku wyzszej wartosci najintensywniej
powoduje Ti nastepnie kolejno: Mo, W, Si, natomiast Mn, Ni obnizaja temperature A
1
.
Wplyw pierwiastków stopowych na wlasciwosci stali:
24
46. Wplyw pierwiastków stopowych na kinetyke przemian fazowych
Pierwiastki stopowe rozpuszczone w austenicie moga wplywac na przemiane austenitu w dwojaki sposób:
a) przesuwajac krzywe poczatku i konca przemiany
Wplyw pierwiastków takich, jak Ni, Mn, Si, Cu, Al polega na zwiekszaniu okresu inkubacyjnego
austenitu, czyli jego trwalosci przesuwajac krzywe poczatku i konca przemiany w prawo, ku wiek-
szych wartosci czasu (przedluzaja czas do rozpoczecia przemiany austenitu przechlodzonego).
Wyjatkiem jest jedynie Co, który przyspiesza przemiane.
b) zmieniajac charaktery krzywych
Wplyw pierwiastków weglikotwórczych (Cr, W, V, Mo, Ti) na przemiane austenitu polega na
przesunieciu krzywych poczatku i konca przemiany w prawo oraz na oddzieleniu zakresu perlity-
cznego od bainitycznego obszarem o zwiekszonej trwalosci przechlodzonego austenitu.
Trwalosc austenitu jest silnie skorelowana z hartownoscia, czyli sklonnoscia do tworzenia struktury
martenzytycznej. Wraz z przedluzeniem czasu do rozpoczecia przemiany austenitu pierwiastki stopowe
powoduja zmniejszenie krytycznej szybkosci chlodzenia v
k
i zwiekszenie hartownosci stali, przy czym
najsilniej dzialaja Mo, Cr, Mn, slabiej Si i Ni. Wyjatkiem jest jedynie Co, który obniza hartownosc.
Wplyw pierwiastków stopowych na hartownosc przejawia sie w ich oddzialywaniu na sklad chemiczny,
niejednorodnosc i wielkosc ziarna austenitu. Pierwiastki, które zwiekszaja wielkosc ziarna austenitu,
powoduja wzrost hartownosci.
47. Wplyw pierwiastków stopowych na wlasnosci mechaniczne ferrytu i austenitu
Wprowadzanie pierwiastków stopowych powoduje znieksztalcenie sieci (rozpuszczone atomy pierwias-
tków stopowych dzialaja jak defekty punktowe), co w efekcie umacnia stop.
Wferrycie najbardziej korzystnie na wlasnosci mechaniczne wplywa Ni, zwiekszajac jednoczesnie
twardosc HB i udarnosc KC. Natomiast najsilniej ferryt utwardzaja Si, Mn (najczesciej stosowane),
przy czym do zawartosci 1% nie zmniejszaja udarnosci. Inne pierwiastki weglikotwórcze silnie
zmniejszaja udarnosc (z wyjatkiem Cr).
W austenicie pierwiastki weglikotwórcze (Cr, W, V, Mo, Ti) tworza dyspersyjne, trudno-rozpu-
szczalne czastki weglików hamujace rozrost ziaren. Pierwiastki nietworzace weglików (Ni, Co, Si)
wplywaja na rozrost ziaren w niewielkim stopniu. Jedynie Mn i B zwiekszaja sklonnosc austenitu
do rozrostu ziarna (zwiekszaja wrazliwosc na przegrzanie).
48. Wplyw pierwiastków stopowych na proces odpuszczania stali
Zasadniczo pierwiastki stopowe zmniejszaja sklonnosc stali do odpuszczania, poniewaz zmniejszaja
szybkosc dyfuzji, co w efekcie opóznia wydzielanie weglików. Przy odpowiednio duzym stezeniu pier-
wiastków weglikotwórczych (Mo, W, V, Cr), w wyniku wydzielenia weglików o duzej dyspersji, wyste-
puje efekt twardosci wtórnej. Z odpuszczaniem stali stopowych wiaze sie równiez zjawisko kruchosci
odpuszczania II rodzaju (patrz pkt. 32).
Wplyw pierwiastków stopowych na przemiane martenzytyczna:
Pierwiastki Al, Co powoduja podwyzszenie temperatury M
S
(poczatku przemiany martenzytycznej),
obnizajac tym samym zawartosc austenitu szczatkowego po zahartowaniu. Pozostale pierwiastki (Mn,
Cr, Ni) dzialaja odwrotnie – obnizaja temperature M
S
i podwyzszaja zawartosc austenitu szczatkowego.
25
49. Do czego sluzy ekwiwalentny wspólczynnik zawartosci wegla CEV (carbon equivalent value)
Ekwiwalentny wspólczynnik zawartosci wegla CEV okresla stopien spawalnosci stali konstrukcyjnych,
a scislej sklonnosc do pekania SWC (strefa wplywu ciepla). Wartosc CEV wyliczana jest na podstawie
skladu chemicznego stali. Jezeli CEV < 0,45% to stale sa spawalne (mala sklonnosc do pekania).
50. Stale do ulepszania cieplnego (sklad chemiczny, obróbka cieplna, wlasciwosci)
Stale te stanowia podstawowy material konstrukcyjny w przemysle maszynowym. Sa stosowane na wazne
elementy maszyn podlegajace duzym obciazeniom mechanicznym np. waly, kola zebate, sworznie.
sklad chemiczny
Stale do ulepszania cieplnego maja srednie stezenie wegla (zwykle 0,25 ÷ 0,5% C) – ze wzgledu na
ciagliwosc, oraz dodatki stopowe, których glównym celem jest nadanie stali okreslonej hartownosci,
niektóre polepszaja równiez ciagliwosc.
Ni – bardzo intensywnie zwieksza hartownosc stali, obnizajac jednoczesnie temperature przejscia
w stan kruchy (T
psk
); zwieksza ciagliwosc, wytrzymalosc;
V, Ti – hamuja rozrost ziaren - ciagliwosc i wytrzymalosc;
Mo (ok. 0,2%), slabiej Cr – zwieksza hartownosc, opóznia przemiany zachodzace podczas
odpuszczania, wiec wyzsza temperatura - wyzsza ciagliwosc, zapobiega kruchosci odpuszczania
(obnizeniu udarnosci), Cr zapewnia duza wytrzymalosc i ciagliwosc;
S (0,02 ÷ 0,04%) – regulowana zawartosc dla uzyskania odpowiedniej skrawalnosci (MnS).
obróbka cieplna
Obróbka cieplna tych stali polega na hartowaniu w oleju z temperatury ok. 850°C i wysokim
odpuszczaniu (550 ÷ 700°C). W efekcie otrzymuje sie strukture sorbityczna, zlozona z ferrytu
stopowego oraz bardzo drobnych weglików. Temperatura odpuszczania moze byc tym wyzsza, im
wieksze jest w stali stezenie wegla i pierwiastków weglikotwórczych.
Stale moga byc takze poddawane hartowaniu powierzchniowemu w celu zróznicowania wlasnosci
warstwy wierzchniej i rdzenia.
wlasciwosci
Stale do ulepszania cieplnego powinny laczyc mozliwie duza wytrzymalosc z duza plastycznoscia i
odpornoscia na pekanie przy obciazeniach dynamicznych. Parametry wytrzymalosciowe
(R
e
- granica plastycznosci, R
m
- wytrzymalosc na rozciaganie) zaleza glównie od zawartosci wegla
i pierwiastków stopowych oraz od temperatury odpuszczania (w zakresie odpuszczania wysokiego).
Podwyzszenie temperatury odpuszczania stali powoduje zmniejszenie wlasnosci wytrzymalosciowych
przy zwiekszonych wlasnosci plastycznych i na odwrót, zaleznie od stawianych wymagan.
R
e
= 550 ÷ 1300 MPa, R
m
= 800 ÷ 1500 MPa, KC = 70 ÷ 150 J/cm
2
. 3 6 N i C r M o 1 6
Najistotniejszym kryterium stosowania poszczególnych gatunków stali z tej grupy jest hartownosc
(zdolnosc stali do tworzenia struktury martenzytycznej). Celem scharakteryzowania hartownosci gatun-
ku stali podaje sie wyniki prób wykonanych na wielu wytopach w postaci tzw. pasma hartownosci. Im
wezsze pasmo tym latwiej optymalizowac obróbke i koszty. W miare wzrostu dodatków stopowych w
stali hartownosc rosnie.
51. Stale do naweglania (budowa warstwy naweglanej, obróbka cieplna po naweglaniu)
budowa warstwy naweglanej
Rozklad stezenia wegla stopniowo maleje od maksimum w strefie powierzchniowej, do poziomu
zawartosci w stali przed nawegleniem w rdzeniu. Po zakonczeniu naweglania, podczas powolnego
chlodzenia powstaja struktury zgodnie z ukladem Fe-Fe
3
C. Wyróznia sie zatem nastepujace strefy:
1. nadeutektoidalna – powierzchnia o strukturze perlitu z cementytem (0,8 ÷ 1,0% C);
2. eutektoidalna – o strukturze perlitycznej;
3. podeutektoidalna – rdzen o strukturze perlityczno-ferrytycznej o zawartosci 0,2% C.
W stalach stopowych w warstwie naweglonej wystepuja ponadto wegliki stopowe.
26
obróbka cieplna po naweglaniu
W celu uzyskania wymaganych wlasciwosci stal naweglona poddaje sie dalszej obróbce cieplnej
polegajacej na hartowaniu i niskim odpuszczaniu (150 ÷ 200°C). W zaleznosci od stawianych
wymagan wyróznia sie nastepujace sposoby obróbki cieplnej po naweglaniu:
a) hartowanie bezposrednie po naweglaniu – korzystna ze wzgledu na niski koszt obróbki ale
uzyskuje sie dosc gruboplytkowy martenzyt ze znaczna iloscia austenitu szczatkowego w warstwie
wierzchniej;
b) hartowanie jednokrotne – po ochlodzeniu, hartowanie z temperatury wlasciwej dla warstwy
naweglonej;
c) hartowanie jednokrotne z posrednia przemiana perlityczna – zapewnia drobnoplytkowy
martenzyt w warstwie wierzchniej, a takze w miare drobnoziarnista strukture rdzenia;
d) hartowanie dwukrotne – po ochlodzeniu, podwójne hartowanie z temperatury wlasciwej dla
rdzenia i nastepnie z temperatury nizszej, wlasciwej dla warstwy naweglonej - dla utrzymania
drobnoplytkowego martenzytu (wysoki koszt obróbki).
Naweglanie jest najczesciej stosowana obróbka powierzchniowa (ponad 50% wszystkich powierz-
chniowych). Polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy wierzchniej stali weglem podczas wygrze-
wania obrabianego przedmiotu w temperaturze 900 ÷ 950°C, w ciagu okreslonego czasu w osrodku
stalym, cieklym lub gazowym zawierajacym wegiel atomowy. Celem obróbki jest uzyskanie wysokiej
twardosci powierzchni (ok. 60 HRC) przy zachowaniu ciagliwego rdzenia. Wady naweglania: twardosc
nie wieksza niz 700 ÷ 800 HV, zachowanie twardosci do maks. 200°C.
Naweglanie z nastepnym hartowaniem i wysokim odpuszczaniem zapewnia duza twardosc powierzchni
obrobionych elementów, duza odpornosc na scieranie i naciski powierzchniowe oraz znaczna wytrzy-
malosc zmeczeniowa. Rdzen stali po takich operacjach obróbki cieplno-chemicznej i cieplnej wyka-
zuje duza ciagliwosc, sprezystosc i odpornosc na dynamiczne dzialanie obciazen.
sklad chemiczny
Stale do naweglania sa niskoweglowe (0,15 ÷ 0,25% C). W zaleznosci od gatunku zawieraja takze
pierwiastki stopowe zwiekszajace hartownosc i zapewniajace wymagane wlasnosci wytrzymalosciowe
rdzenia (Cr, Mn, Ni).
Wplyw dodatków stopowych na warstwe naweglana:
pierwiastki weglikotwórcze (Cr, Mo) – ulatwiaja dyfuzje C, tworza dyspersyjne wegliki, Mo
sprzyja drobnoziarnistosci, zwiekszaja sklonnosc do przeweglenia(–);
pierwiastki nieweglikotwórcze oraz weglikotwórcze rozpuszczone w austenicie – utrudniaja dyfuzje
C, zwiekszaja udzial austenitu szczatkowego, co powoduje zmniejszenie twardosci warstwy nawe-
glanej (pitting), opózniaja procesy odpuszczania(+).
wlasciwosci
Stale do naweglana powinny sie cechowac:
twarda i odporna na scieranie oraz zmeczenie powierzchnia przy zachowaniu duzej ciagliwosci
rdzenia o odpowiedniej wytrzymalosci (R
e
, R
m
) - zaleznie od obciazenia (znacznie wyzsze wyma-
gania niz przy hartowaniu powierzchniowym);
Twardosc warstwy naweglonej po zahartowaniu przekracza 60 HRC (700 ÷ 800 HV),
natomiast wytrzymalosc rdzenia od 650 MPa do 1050 MPa;
odpowiednia hartownoscia dla przekroju, obciazen i cech geometrycznych przedmiotu;
mala sklonnoscia do rozrostu ziarna (przegrzewnosc) - prostsza i tansza obróbka cieplna;
czesto dobra skrawalnoscia (regulowana zawartosc S).
Zastosowania: kola i walki zebate, sworznie tlokowe, przeguby kuliste, lozyska toczne (duze).
27
52. Stale do azotowania (budowa warstwy azotowanej, obróbka cieplna)
budowa warstwy azotowanej
Morfologia i sklad fazowy warstwy azotowanej w stalach zaleza od stezenia azotu w poszczególnych
strefach. W wyniku azotowania warstwy wierzchniej wystepuja nastepujace strefy (od powierzchni
w kierunku do rdzenia):
1. strefa azotków e (Fe
2
N o zawartosci 11% N) – bardzo twarda i krucha (sprzyja powstawaniu
mikropekniec, dlatego dazy sie aby na powierzchni warstwy wystepowala mieszanina
roztworów i ');
2. strefa mieszaniny roztworów e + y' w osnowie azotków pierwiastków stopowych (Cr, Mo, Al i V)
– o wysokiej twardosci (1000 ÷ 1200 HV) i trwalosci temperaturowej;
3. strefa azotków y' (Fe
4
N o zawartosci 5,8% N);
4. strefa ferrytu przesyconego z wydzieleniami azotków (o + y');
5. struktura typowa dla rdzenia (o + Fe
3
C).
W stalach stopowych po prawidlowo przeprowadzonym azotowaniu, wystepuje bezposrednio przy
powierzchni mieszanina roztworów e + y', a cala warstwa azotowana, o grubosci nie przekraczajacej
zwykle 0,5 mm, cechuje sie lagodnym przejsciem struktury i wlasciwosci do cech typowych dla
rdzenia.
obróbka cieplna
Obróbka cieplna elementów przeznaczonych do azotowania polega na hartowaniu i wysokim odpu-
szczaniu po którym nastepuje szlifowanie wykonczajace powierzchni przewidzianych do nasycenia
azotem i jako operacja koncowa – azotowanie jedna z metod, w temperaturze nizszej od tempera-
tury uprzedniego odpuszczania, zwykle w zakresie 480 ÷ 570°C. Wyróznia sie metody azotowania:
stopniowe, dlugotrwale (klasyczne), krótkotrwale, antykorozyjne, jonowe.
Ze wzgledu na mala grubosc warstwy azotowanej przedmioty azotowane nie moga byc poddawane
szlifowaniu.
Azotowanie jest drozsze od naweglania ale daje lepsze wlasciwosci. Polega na nasycaniu warstwy wierz-
chniej stali azotem podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w temperaturze nizszej od Ac
1
(480
÷ 570°C) w osrodku zawierajacym wolne atomy azotu. Azotowanie jest procesem dlugotrwalym (10 ÷
100 h), a glebokosc warstwy azotowanej zawiera sie w przedziale 0,2 ÷ 0,6 mm. Azotowaniu poddaje
sie przedmioty uprzednio zahartowane i wysoko odpuszczone. Celem obróbki jest uzyskanie bardzo
wysokiej twardosci, odpornosci na zuzycie scierne, podwyzszona wytrzymalosc zmeczeniowa, a takze
odpornosc korozyjna. Warstwa zachowuje twardosc do temperatury azotowania.
sklad chemiczny
Stale do azotowania (tylko stopowe) o zawartosci 0,24 ÷ 0,41% C zawieraja dodatki zwiekszajace
hartownosc (odpowiednia wytrzymalosc rdzenia), odpornosc na kruchosc odpuszczania i zwiekszajace
ilosc dyspersyjnych i twardych azotków podczas nasycania powierzchni azotem (tzw. pierwiastki
"azotkotwórcze": Cr, Mo, Al, V):
Cr – zwieksza hartownosc oraz grubosc warstwy;
Mo – daje duzy efekt umocnienia oraz zapobiega kruchosci odpuszczania (obnizeniu udarnosci);
Al – daje najlepsze efekty umocnienia ale zwieksza sklonnosc do naweglania
(dlatego opracowano stale nie zawierajace Al);
V – umozliwia uzyskanie pozadanego profilu twardosci i glebokosci warstwy.
wlasciwosci
Stale do azotowania powinny sie cechowac:
bardzo twarda i odporna na scieranie powierzchnia oraz rdzeniem o duzej wytrzymalosci przy
mozliwie duzej ciagliwosci.
Twardosc powierzchni, jak i wytrzymalosc rdzenia powinny byc wieksze od uzyskiwanych w
wyniku naweglania i obróbki cieplnej elementów ze stali do naweglania.
Twardosc warstwy azotowanej wynosi 1000 (1200) HV, grubosc najczesciej ok. 0,5 mm (50 h),
wytrzymalosc rdzenia od 800 MPa do 1150 MPa.
wieksza niz po naweglaniu temperatura pracy;
warstwa o zwiekszonej odpornosci na korozje.
Zastosowanie: waly korbowe, korbowody, sworznie tlokowe, tloki, cylindry, krzywki rozrzadu.
28
53. Stale sprezynowe
sklad chemiczny
Typowe stale sprezynowe cechuje zwiekszona zawartosci wegla 0,35 ÷ 1,25% (zwykle 0,5 ÷ 0,7%).
Stale te zawieraja równiez dodatki stopowe silnie umacniajace ferryt (Si, Mn, Cr):
Si (do 2%) – najsilniej umacnia ferryt, najintensywniej zwieksza R
sp
, R
e
i R
m
(ujemny wplyw na ciagliwosc ferrytu kompensuje podwyzszenie temperatury odpuszczania
– Si silnie opóznia przemiany w zakresie odpuszczania sredniego);
Mn (0,3 ÷ 1,1%) – zwieksza hartownosc (silniej niz Si);
Cr (0,4 ÷ 1,2%) – hartownosc, opóznia przemiany odpuszczania;
Mo (0,1 ÷ 0,3%) – hartownosc, efekty twardosci wtórnej;
V (0,1 ÷ 0,2%) – drobnoziarnistosc, efekty twardosci wtórnej;
Ni (0,6 ÷ 2,0%) – ciagliwosc, hartownosc, umocnienie ferrytu, drobnoziarnistosc (drogi);
L rosnie z obnizaniem zawartosci wegla (ale maleje wytrzymalosc);
L rosnie z podwyzszaniem temperatury odpuszczania.
obróbka cieplna
Wysoka granice sprezystosci R
sp
i wytrzymalosci R
m
tych stali osiaga sie przez obróbke cieplna
polegajaca na hartowaniu w oleju lub wodzie i odpuszczaniu srednim w temperaturze 380 ÷ 520°C,
po której uzyskuje sie strukture troostytu. Dla drutów po patentowaniu stosuje sie obróbke plastyczna
na zimno (ciagnienie) lub walcowanie na zimno dla tasm.
Odpowiednia zywotnosc (wytrzymalosc zmeczeniowa) uzyskuje sie przez:
ograniczanie do minimum odweglenia powierzchni (poprzez zastosowanie atmosfery ochronnej
lub kapieli solnej podczas obróbki cieplnej);
zwiekszanie gladkosci powierzchni przez szlifowanie;
wytwarzanie naprezen sciskajacych na powierzchni (np. srutowanie).
Patentowanie – (odmiana wyzarzania izotermicznego) zabieg obróbki cieplnej polegajacej na wygrze-
waniu tuz powyzej temperatury Ac
3
, chlodzeniu izotermicznym w kapieli olowiu 500 ÷ 550°C w celu
uzyskania bardzo drobnoplytkowego perlitu (troostytu) i nastepnie obróbce plastycznej na zimno (cienkie
plytki cementytu zdolne do zginania sie podczas ciagnienia).
wlasciwosci
Stale sprezynowe powinny sie cechowac:
bardzo dobrymi wlasnosciami sprezystymi, tzn. wysoka granica sprezystosci R
sp
oraz duza warto-
scia stosunków tej wielkosci do granicy plastycznosci R
e
i wytrzymalosci na rozciaganie R
m
;
Stale sprezynowe umacniane zgniotem na zimno: np.:
walcowane (tasmy) R
m
do 1200 MPa C 5 5 S + C R
ciagnione (druty po patentowaniu) R
m
= 2000 ÷ 3500 MPa S L , D H
Stale sprezynowe umacniane obróbka cieplna (hartowanie i odpuszczanie srednie):
niestopowe R
m
= 1100 ÷ 2100 MPa C 5 5 S + Q R
stopowe (tasmy) R
m
do 1900 MPa 5 2 S i C r N i 5
stopowe (druty) R
m
do 2200 MPa V D C r S i V
duza wytrzymaloscia na zmeczenie (glówna przyczyna zniszczenia);
pewne zadowalajace minimum ciagliwosci (zabezpieczajace przy przeciazeniu);
temperatura pracy: do ok. 150°C (umacniane zgniotowo);
do ok. 300°C (po hartowaniu i odpuszczaniu srednim).
Zastosowania: sprezyny, resory.
54. Stale lozyskowe
sklad chemiczny / struktura
Stale na lozyska toczne zawieraja wegiel o stezeniu ok. 1% oraz dodatki stopowe Cr (1,5%),
Si (0,6%) i Mn (1,2%), np. H 1 5 , H 1 5 S G – zapewniajace przede wszystkim wymagana hartownosc.
Wyzsza zawartosc skladników stopowych umozliwia wyrób lozysk o wiekszych srednicach.
29
W calym przekroju przedmiotu ze stali lozyskowej wystepuje struktura zlozona z drobnoiglastego,
niskoodpuszczonego martenzytu (bez austenitu szczatkowego), z wtraceniami równomiernie rozmie-
szczonych, drobnych (ok. 1 µm) weglików chromu.
obróbka cieplna
Obróbka cieplna stali na lozyska toczne sklada sie zazwyczaj z nastepujacych zabiegów:
1. wyzarzanie sferoidyzujace (zmiekczajace) – w celu uzyskania jednorodnej struktury drobnoziar-
nistego, sferoidalnego cementytu w ferrytycznej osnowie;
2. hartowanie w oleju;
3. wymrazanie – w celu zmniejszenia udzialu austenitu szczatkowego;
4. odpuszczanie niskie.
wlasciwosci
Stale na lozyska toczne powinny sie cechowac:
bardzo duza twardoscia; – wysokim stopniem czystosci;
odpornoscia na scieranie, zginanie i sciskanie; – wysoka hartownoscia;
staloscia wymiarowa; – bardzo jednorodna struktura.
55. Podzial stali nierdzewnych (sklad chemiczny, struktura, obróbka cieplna, wady, zastosowania)
wlasciwosci
Stale nierdzewne wykazuja odpornosc na korozje elektrochemiczna w srodowiskach wilgotnych
(woda, roztwory wodne, atmosfera i jej zanieczyszczenia, gleba) oraz w otoczeniu cieklych zwiazków
chemicznych (slabe roztwory soli i kwasów).
Odpornosc na korozje stale zawdzieczaja przez wprowadzenie do stopu zelaza chromu.
Pierwiastek ten, w ilosci ok. 13%, skokowo zmienia potencjal elektrochemiczny stali z elektroujem-
nego na elektrododatni, dzieki czemu nadaje takim stopom ceche nierdzewnosci.
Odpornosc na korozje elektrochemiczna jest zwiazana ze zdolnoscia do pasywacji. Zjawisko to
polega na tworzeniu sie na powierzchni stali pasywnej warstwy tlenku Cr, która zabezpiecza stal
przed dzialaniem czynników powodujacych korozje. Odpornosc na korozje rosnie z zawartoscia
chromu (10,5 ÷ 30% Cr). Odpornosc ta ulega dalszemu podwyzszeniu po dodaniu innych pierwias-
tków ale same nie tworza warstwy pasywnej.
sklad chemiczny / struktura / obróbka cieplna / zastosowania
Stale nierdzewne (odporne na korozje) to stale zawierajace minimum 10,5% chromu oraz dodatki
innych pierwiastków stopowych. Podzial stali nierdzewnych w zaleznosci od struktury uwarunko-
wanej iloscia wegla jest nastepujacy:
stale ferrytyczne, o zawartosci 13% Cr i znikomej zawartosci wegla (maks. 0,15% C), o stru-
kturze ferrytycznej z wydzieleniami weglików. Cechuja sie najlepsza odpornoscia na korozje. W
niektórych gatunkach stali o tej strukturze wystepuje równiez dodatek 0,1 ÷ 0,3% Al, stabi-
lizujacy ferryt (0 H 1 3 J ). Stale te poddaje sie wyzarzaniu zmiekczajacym (ok. 800°C) lub ulepsza-
niu cieplnym. Zastosowania: zbiorniki, lopatki turbin wodnych, zawory, przedmioty gospodar-
stwa wodnego. 0 H 1 3 , 1 H 1 3
superferryty to stale ferrytyczne o zwiekszonej zawartosci Cr, zawierajace bardzo male ilosci
skladników miedzywezlowych (C, N < 0,02) oraz dodatki stopowe takie, jak:
Ti – eliminuje kruchosc stopu i ulatwia spawanie H 1 7 T
Ni (ok. 2%) – zwieksza obszar wystepowania austenitu H 1 7 N 2
Zwiekszona zawartosc chromu zwieksza ich odpornosc na korozje w szerszym zakresie srodowisk
kwasowych i chlorkowych. Zastosowania: przemysl chemiczny i spozywczy, panewki, zawory,
narzedzia chirurgiczne.
stale ferrytyczno-martenzytyczne (13% Cr), o zawartosci 0,15 ÷ 0,35% C, o strukturze po
czesci ferrytycznej, a po czesci martenzytycznej.
Obróbka cieplna – zastosowania:
hartowanie i odpuszczanie niskie – na narzedzie tnace;
hartowanie i odpuszczanie srednie – na sprezyny;
hartowanie i odpuszczanie wysokie – na waly, sruby, pompy. 2 H 1 3 , 3 H 1 3
30
stale martenzytyczne (13% Cr), o zawartosci wegla ponad 0,35%, o strukturze martenzytycznej.
Cechuja sie wiekszymi wlasnosciami wytrzymalosciowymi i odpornoscia na scieranie, przy
nieco mniejszej odpornosci na korozje. Ich obróbka cieplna sklada sie z hartowania i odpuszcza-
nia niskiego. Zastosowania: narzedzia skrawajace i pomiarowe, lozyska kulkowe, zawory, narze-
dzia chirurgiczne. 4 H 1 3
wady
Jezeli zawartosc chromu w stalach ferrytycznych jest wieksza niz 13%, to podczas chlodzenia w
zakresie 550 ÷ 400°C powstaje odwracalna kruchosc, zwana kruchoscia 475. Wieksza zawartosc
chromu (20 ÷ 25% Cr) sprzyja równiez wydzielaniu, w obszarze ziaren ferrytu, kruchej fazy o
(bogatej w Cr) w zakresie 650 ÷ 500°C – powodujac obnizenie odpornosci korozyjnej i wzrost
kruchosci stali. Obydwa rodzaje kruchosci usuwa przesycenie od temperatury 1000°C.
56. Zjawisko korozji miedzykrystalicznej i sposoby jej zapobiegania
Zjawisko korozji miedzykrystalicznej polega na zubozaniu granic ziarn w chrom na skutek wydzielen
weglików chromu, które zarodkuja prawie wylacznie na granicach ziarn.
W stalach austenitycznych (o jednofazowej strukturze austenitu), po przesyceniu w wodzie z temperatury
1100°C i nastepnie ponownym ogrzaniu powyzej ok. 500°C (warunki pracy lub spawanie), wydzielaja
sie na granicach ziarn wegliki chromu. Poniewaz szybkosc dyfuzji wegla jest wieksza od szybkosci
dyfuzji chromu, wegiel potrzebny dla tworzacych sie weglików chromu pochodzi z calego ziarna, pod-
czas gdy chrom pobierany jest tylko z bezposredniego otoczenia powstajacych wydzielen (wzdluz granic
dyfuzja przebiega latwiej). W konsekwencji zawartosc chromu w poblizu granic ziarn moze spasc ponizej
ilosci gwarantujacej odpornosc stali na dzialanie srodowiska korozyjnego (12% Cr).
Korozja ta jest bardzo niebezpieczna, gdyz niszczy material w glab i jest trudno zauwazalna. Silnie
zalezy od temperatury i czasu. Mozna jej zapobiegac nastepujacymi sposobami:
zmniejszajac stezenie wegla w stali do wartosci ponizej 0,03%;
stosujac zabieg przesycania od temperatury 1000 ÷ 1100°C;
unikanie po przesycaniu ponownego nagrzewania do temperatury zakresu uczulenia (500 ÷ 800°C);
wprowadzajac do stali pierwiastki, których wegliki wydzielaja sie w wyzszych temperaturach niz
wegliki chromu, np. Ti, Nb.
57. Stale o specjalnych wlasciwosciach mechanicznych
Staliwo Hadfielda
Sklad chemiczny staliwa Hadfielda jest tak dobrany, ze stosunek udzialów wegla i manganu wynosi
1:10. Zawartosc tych pierwiastków miesci sie w granicach 1,0 ÷ 1,3% C oraz 11 ÷ 14% Mn.
Staliwo Hadfielda charakteryzuje sie wysoka odpornoscia na scieranie przy duzych i dynamicznych
naciskach powierzchniowych. W stanie przesyconym, o strukturze austenitycznej cechuje sie bardzo
duza sklonnoscia do umacniania (twardosc ok. 500 HB) pod wplywem zgniotu zwiazanego z tworze-
niem sie mikroblizniaków.
Zastosowania: rozjazdy kolejowe, ogniwa gasienic, szczeki kruszarek, zeby koparek. 1 1 G 1 2
Cr
23
C
6
31
Stale maraging
Grupe stali maraging stanowia stopy z ukladu Fe-Ni-Co-Mo z dodatkiem Ti oraz C o zawartosci
nie wiekszej niz 0,03%. Stale te maja strukture martenzytyczna z wydzieleniami dyspersyjnych faz
miedzymetalicznych na bazie pierwiastków stopowych, wplywajace na umocnienie tych materialów.
Obróbka cieplna stali maraging sklada sie zazwyczaj z nastepujacych zabiegów:
1. hartowanie z temperatury 800 ÷ 900°C, z chlodzeniem w powietrzu. Strukture stali po hartowaniu
stanowi bezweglowy martenzyt zelazowo-niklowy o wytrzymalosci R
m
= 1000 MPa, twardosci
30 ÷ 35 HRC i znacznej plastycznosci;
Po zabiegu hartowania wykonywane sa zasadnicze operacje mechaniczne (obróbka plastyczna),
w celu uzyskania okreslonego wyrobu.
2. starzenie w zakresie 400 ÷ 600°C - zaleznosci od gatunku. Starzenie powoduje znaczne zwiek-
szenie wytrzymalosci i twardosci oraz niewielkie zmniejszeniem wlasnosci ciagliwych.
Efekt ten wywolany jest wydzielaniem sie twardych, dyspersyjnych faz miedzymetalicznych na
bazie pierwiastków stopowych NiTi, Ni
3
Ti, Ni
3
Mo, Ni
3
(Mo, Ti), Fe
2
Mo.
Stale maraging oprócz wysokiej wytrzymalosci (R
m
= 2700 MPa) i twardosci (65 HRC), charakte-
ryzuja sie wysoka udarnoscia (odpornoscia na kruche pekanie), dosc dobra plastycznoscia oraz dobra
spawalnoscia. Pracuja w szerokim zakresie temperatur od -200°C do 600°C.
Zastosowania: przemysl kosmiczny, lotniczy, zbrojeniowy (bardzo droga). N 1 8 K 9 M 5 T
58. Zaroodpornosc i zarowytrzymalosc
Zaroodpornosc
Zaroodpornosc to odpornosc metali i stopów na dzialanie gazów utleniajacych i korodujacych w
wysokiej temperaturze (powyzej 600°C). Odpornosc ta polega na tworzeniu sie na powierzchni
szczelnej i dobrze zwiazanej z podlozem warstwy tlenków (zgorzeliny), która znacznie utrudnia
dyfuzje tlenu i chroni stop przed dalszym utlenianiem. Podstawowymi dodatkami stopowymi w
stalach zaroodpornych sa Cr, Al, Si ÷ tlenki: Cr
2
O
3
, Al
2
O
3
, SiO
2
.
Zarowytrzymalosc
Zarowytrzymalosc to zdolnosc metali i stopów do przenoszenia krótko- i dlugotrwalych obciazen
mechanicznych w wysokiej temperaturze (powyzej 550°C), bez zmiany ksztaltu, polaczona z
odpornoscia na wielokrotne zmiany temperatury. Wzrost wytrzymalosci stali uzyskuje sie przez
wprowadzenie dodatków stopowych podwyzszajacych temperatury topnienia i rekrystalizacji:
Mo, Co, Nb, W, V.
Podzial stali zaroodpornych i zarowytrzymalych
stale ulepszane cieplnie – sa to stale przeznaczone do wyrobu czesci pracujacych w temperaturach
350 ÷ 575°C. Wyróznia sie:
stale Cr-Mo-V (niskostopowe) – na blachy i rury tlokowe 1 5 H M , 1 2 H M F
stale Cr-Si (silchromy) – na obciazone zawory silników spalinowych H 9 S 2
stale ferrytyczne (wysokochromowe) – o strukturze ferrytycznej z wydzieleniami weglików.
Charakteryzuja sie wysoka zaroodpornoscia, która zapewnia duza zawartosc Cr oraz dodatki Al
i Si. Przeznaczone na nisko obciazone elementy pracujace w wysokich temperaturach.
Zastosowania: do produkcji armatury pieców przemyslowych. 2 H 1 7 , H 2 3 T
stale austenityczne (chromowo-niklowe) – o strukturze austenitycznej z wydzieleniami weglików.
Charakteryzuja sie zarówno wysoka zaroodpornoscia, jak i dobra zarowytrzymaloscia. Sa przezna-
czone do wyrobu czesci wysoko obciazonych mechanicznie, pracujacych w temperaturach 500
÷ 650°C (maks. 900°C). Stale te zawieraja podwyzszona zawartosc Cr (12 ÷ 15%) i Ni, który
nadaje strukture austenityczna. Do polepszenia ich zarowytrzymalosci stosuje sie dodatki trudno
topliwych pierwiastków weglikotwórczych (Mo, Nb, Ti, V, W). Zastosowania: elementy
silników lotniczych, turbin gazowych. H 1 8 N 9 S , 1 H 1 8 N 9 T , H 1 7 N 1 3 M 2 , 5 0 H 2 1 G 9 N 4
nadstopy – stanowia grupe stopów zarowytrzymalych (odpornych na pelzanie), przeznaczonych
do pracy w temperaturach 900 ÷ 1300°C. Zastosowania: lopatki turbin w silnikach lotniczych.
32
59. Stale zaworowe
Stale zaworowe stanowia odmiane stali zarowytrzymalych, uzywanych na zawory w silnikach spalinowych.
Wyróznia sie:
stale Cr-Si (silchromy) – o strukturze martenzytycznej. Charakteryzuja sie duza odpornoscia na
korozje w atmosferze spalin (do 750°C), która zapewniaja glównie dodatki Cr i Si. Dodatki W i
Mo powoduja zwiekszenie zarowytrzymalosci i rozdrobnienie ziarn. Obróbka cieplna tych stali
polega na hartowaniu z temperatury 1000 ÷ 1080°C i odpuszczaniu w temperaturze 720 ÷ 820°C z
chlodzeniem w powietrzu lub wodzie (co zapobiega kruchosci odpuszczania). W wyniku tej obróbki
otrzymuje sie strukture martenzytu wysokoodpuszczonego. H 9 S 2 , H 1 0 S 2 M
stale austenityczne – o strukturze austenitycznej z wydzieleniami weglików. Charakteryzuja sie
duza twardoscia i odpornoscia na scieranie w wysokich temperaturach (800 ÷ 900°C), która zapew-
nia stosunkowo duza zawartosc wegla (ok. 0,5% C). Poniewaz stale te wykazuja wieksza wytrzy-
malosc w wysokiej temperaturze, zawieraja duze stezenie Cr i pierwiastków austenitotwórczych
(Ni, Mn, N). Dodatki W i Mo powoduja zwiekszenie zarowytrzymalosci i rozdrobnienie ziarn.
Dodatki Nb i Ta zwiekszaja odpornosc na scieranie, co jest zwiazane z utworzeniem twardych wegli-
ków tych pierwiastków. Obróbka cieplna tych stali polega przesycaniu z temperatury 1140 ÷ 1200°C
z chlodzeniem w wodzie, i starzeniu w temperaturze 760 ÷ 830°C. W wyniku tej obróbki otrzymuje sie
strukture austenitu z dyspersyjnymi wydzieleniami weglików M
6
C i M
23
C
6
oraz weglikoazotków.
4 H 1 4 N 1 4 W 2 M , 5 0 H 2 1 G 9 N 4
60. Podzial stopów aluminium ze wzgledu na zawartosc dodatków stopowych
Stopy aluminium z krzemem (siluminy) – najczesciej stosowane stopy odlewnicze o zawartosci
do 30% Si (najczesciej 5 ÷ 13,5% Si). Czesc stopów zawierajacych 0,5 ÷ 2% Si moze byc stoso-
wana takze po obróbce plastycznej. Obecnie glównie stosowane jako stopy wieloskladnikowe:
Cu (do 5%) – wytrzymalosc, umozliwia utwardzenie wydzieleniowe, obniza odpornosc korozyjna;
Mg (do 1,5%) – wytrzymalosc, umozliwia stosowanie utwardzania wydzieleniowego;
Ni (do 1,3%) – polepsza odpornosc na korozje;
Mn (do 0,65%) – wytrzymalosc, przeciwdziala ujemnemu wplywowi domieszki Fe;
Ti (do 0,25%) – zmniejsza wielkosc ziarna.
Siluminy wieloskladnikowe, po utwardzeniu wydzieleniowym uzyskuja wytrzymalosc 200 ÷ 250 MPa
i wydluzenie 1 ÷ 6%. Zastosowania: przemysl maszynowy (alufelgi, glowice silników spalinowych).
Podzial siluminów dwuskladnikowych wynika z ukladu równowagi Al-Si:
podeutektyczne (< 12,6% Si) – wykazuja wieksza ciagliwosc. Zastosowania: przemysl okretowy
i elektryczny, pracujace w wodzie morskiej i podwyzszonej temperaturze;
eutektyczne (12,6% Si) – charakteryzuja sie bardzo dobrymi wlasnosciami odlewniczymi (dobra
rzadkoplynnosc, lejnosc, maly skurcz odlewniczy), nie wykazuja sklonnosci do pekania na goraco.
Zastosowania: tloki silników spalinowych (znaczna zarowytrzymalosc);
Struktura stopów o skladzie eutektycznym + odznacza sie gruboziarnistoscia i iglasta budowa
krzemu, co obniza wytrzymalosc i plastycznosc. W celu polepszenia tych wlasciwosci siluminy
podlegaja specjalnym zabiegom - modyfikacji (patrz pkt. 61/62).
nadeutektyczne (> 12,6% Si) – dzieki wiekszej zawartosci Si maja maly wspólczynnik rozszerzal-
nosci cieplnej oraz duza odpornosc na scieranie i dobre wlasciwosci slizgowe.
Zastosowania: tloki silników spalinowych (znaczna zarowytrzymalosc).
Wada siluminów jest niskie przewodnictwo cieplne i trudna obróbka skrawaniem (twarde krysztaly Si).
E N A C - A l S i 5 C u 1 M g
Stopy aluminium z miedzia (durale) – najczesciej stosowane stopy wieloskladnikowe do obróbki
plastycznej, zawierajace:
Cu (2,2 ÷ 6%) – podwyzsza wytrzymalosc, obniza plastycznosc i podatnosc na obróbke plasty-
czna, pogarsza odpornosc na korozje (szczególnie miedzykrystaliczna);
Mg (0,2 ÷ 1,8%) – podwyzsza wytrzymalosc, obniza plastycznosc, polepsza odpornosc na korozje;
Mn (do 1,2%), Fe, Ti – podwyzszaja zarowytrzymalosc (tworzenie faz bogatych w te pierwiastki);
Si (do 1,2%) – poprawia rzadkoplynnosc;
Ti (do 0,2%) – zmniejsza wielkosc ziarna, zwieksza lejnosc.
33
Durale wieloskladnikowe charakteryzuja sie wysokimi parametrami wytrzymalosciowymi (450 MPa)
po obróbce cieplnej, nazywanej utwardzaniem wydzieleniowym, skladajacej sie z dwóch operacji:
przesycania i starzenia. Operacje obróbki plastycznej dokonuje sie przed zachodzeniem procesu
starzenia. Durale cynkowe, w których cynk jest glównym dodatkiem stopowym (5 ÷ 7% Zn), maja
najwyzsze wlasciwosci wytrzymalosciowe ze wszystkich stopów aluminium (600 MPa). Wada durali
jest ich stosunkowo mala odpornosc na korozje (blachy wymagaja platerowania).
Zastosowania: blachy, prety, druty (na nity), ksztaltowniki. E N A W - A l C u 4 M g 1
Stopy aluminium z magnezem, zawierajace od 0,5 do ok. 13% Mg oraz dodatki (Si, Mn, Fe, Ti).
Stopy o malym stezeniu Mg wykazuja duza podatnosc na obróbke plastyczna, a o duzym stezeniu -
dobre wlasnosci odlewnicze, dlatego stopy te mozna podzielic na dwie podgrupy:
stopy Al-Mg odlewnicze – po siluminach, najczesciej stosowane stopy odlewnicze, o zawartosci
9 ÷ 11% Mg. Charakteryzuja sie najwieksza odpornoscia na korozje (szczególnie wody morskiej),
najmniejsza gestoscia (1,7 g/cm
3
) oraz gorszymi wlasciwosciami odlewniczymi od siluminów
(nie wchodzimy w obszar eutektyki). W celu usuniecia niekorzystnej dwufazowej struktury stopy
odlewnicze Al-Mg sa poddawane przesycaniu. Stopy Al-Mg-Si moga byc równiez starzone, dzieki
czemu ulegaja utwardzaniu wydzieleniowemu (wydzielenia fazy Mg
2
Si).
Zastosowania: armatura morska, elementy aparatury chemicznej, elementy samochodów.
E N A C - A l M g 5
stopy Al-Mg do obróbki plastycznej (hydronalia) – zawierajace 0,4 ÷ 5,6 Mg, o strukturze dwu-
fazowej roztworu stalego i wydzielen fazy . Charakteryzuja sie:
podwyzszonymi wlasnosciami mechanicznymi (mozliwe dalsze zwiekszanie utwardzaniem
zgniotowym, wydzieleniowym oraz nisko- i wysoko temperatura obróbka cieplno-mechaniczna);
odpornoscia na korozje w srodowisku wody i atmosfery morskiej;
dobra spawalnoscia i podatnoscia na glebokie tloczenie.
Zastosowania: opakowania (na puszki do napojów), urzadzenia przemyslu spozywczego i chemi-
cznego, na srednio obciazone elementy w przemysle okretowym i lotniczym.
E N A W - A l M g 4 , 5 M n 0 , 7
Stopy aluminium z litem – jedne z najnowoczesniejszych stopów lekkich, wymagajacych specjal-
nych metod metalurgicznych (reaktywnosc litu z tlenem). Stopy wieloskladnikowe do przeróbki
plastycznej (utwardzane wydzieleniowo) zawieraja:
Li (1,9 ÷ 2,7%) (do 4% przy zastosowaniu procesów umozliwiajacych szybkie krzepniecie);
Cu, Mg – zmniejszaja rozpuszczalnosc Li w roztworze stalym, wchodza w sklad faz miedzymetalicznych;
Zr – zmniejsza wielkosc ziarna i sprzyja tworzeniu faz miedzymetalicznych.
W stosunku do konwencjonalnych stopów aluminium, charakteryzuja sie mniejsza gestoscia o ok. 8 ÷
10% (Li - 0,534 g/cm
3
), równa lub wieksza wytrzymaloscia (400 MPa) oraz dobra odpornoscia na
zmeczenie i udarnoscia w niskich temperaturach. Zastosowania: elementy nowoczesnych samolotów
(podlogi, poszycia, uzebrowania). E N A W - A l L i 2 , 5 C o 1 M g 1
E N A W - A l C i 2 L i 2 M g 1 , 5
61. Mechanizm poprawy wlasciwosci mechanicznych eutektycznych stopów Al-Si
Mechanizm poprawy wlasciwosci mechanicznych eutektycznych i
podeutektycznych stopów Al-Si polega na dodaniu do cieklego stopu
Na (takze Sr lub niekiedy Sb), którego zwiazki ulatwiaja zarodko-
wanie oraz tworzac "blonke" (warstewke krzemku sodu Na
2
Si) utru-
dniaja wzrost krysztalów Si (staja sie drobne i bardziej owalne).
Dodatek sodu powoduje równiez obnizenie temperatury przemiany
eutektycznej oraz przesuniecie punktu eutektycznej w prawo ku
wyzszej zawartosci Si (ok. 13%). Ogólna ilosc modyfikatora nie
przekracza 0,1%. W wyniku tej modyfikacji otrzymuje sie rozdro-
bnienie eutektyki, co zwieksza wytrzymalosc stopu o ok. 50% i o kilka
razy wydluzenie:
(R
m
z ok. 110 do 250 MPa, wydluzenie A
5
z ok. 1% do 8%).
34
62. Mechanizm poprawy wlasciwosci mechanicznych nadeutektycznych stopów Al-Si
Mechanizm poprawy wlasciwosci mechanicznych nadeutektycznych stopów Al-Si polega na dodaniu
do cieklego stopu fosforu, który tworzy z aluminium czastki AlP, stanowiace heterogeniczne zarodki
krystalizacji dla krzemu. W wyniku tego nastepuje rozdrobnienie wydzielen (krysztaly Si sa znacznie
drobniejsze i bardziej równomiernie rozlozone w eutektyce). Umozliwia obróbke skrawaniem.
63. Utwardzanie wydzieleniowe durali
Utwardzanie wydzieleniowe to obróbka cieplna polegajaca na wydzieleniu w stanie stalym dyspersyjnych
faz, które blokujac ruch dyslokacji umacniaja stop (zwieksza sie jego wytrzymalosc i twardosc kosztem
zmniejszenia ciagliwosci). Utwardzanie wydzieleniowe moze byc stosowane wylacznie w stopach, w
których rozpuszczalnosc skladników w stanie stalym zmienia sie wraz z obnizaniem sie temperatury.
Utwardzanie wydzieleniowe durali sklada sie z dwóch operacji:
przesycania – szybkie ochlodzenie (oziebienie w wodzie) roztworu stalego z temp. 500 ÷ 580°C
(powyzej temperatury linii zmiennej rozpuszczalnosci) w celu otrzymania przesyconego roztworu
stalego w temperaturze pokojowej. Material jest dosc miekki i ciagliwy (stan metastabilny);
starzenia – wytrzymanie przez okreslony czas przesyconego roztworu stalego w temperaturze
pokojowej lub podwyzszonej (ponizej temperatury linii zmiennej rozpuszczalnosci) w celu wydzie-
lenia drobnodyspersyjnych faz . Zwieksza sie wytrzymalosc i twardosc stopu kosztem niewiel-
kiego zmniejszenia ciagliwosci ÷ umocnienie wydzieleniowe. Wyróznia sie:
starzenie samorzutne (naturalne) w temperaturze pokojowej;
starzenie sztuczne (przyspieszone) – wygrzewanie w temperaturze podwyzszonej (100 ÷ 180°C)
W wyniku starzenia przesycony roztwór ulega przemianie w równowagowa mieszanine nasyconego
roztworu + CuAl
2
. Poniewaz przemiana zachodzi w niskiej temperaturze, w której atomy nie sa
zbyt ruchliwe, przemiana ta zachodzi zwykle w czterech etapach:
Na poczatku starzenia struktura stopu stanowi przesycony roztwór staly z przypadkowo rozmieszczonymi
atomami Cu ÷ wlasciwosci stopu sa wynikiem umocnienia roztworowego.
Pierwsze stadium starzenia – polega na powstawaniu w plaszczyznach {100} stref Guiniera-
Prestona (GP), czyli skupiska atomów miedzi w ksztalcie dysków koherentne z osnowa. Z uwagi
na mniejsza srednice atomów Cu (niedopasowanie parametrów sieci) strefy te generuja naprezenia,
które pomagaja w hamowaniu ruchu dyslokacji, co w efekcie objawia sie zwiekszeniem twardosci
÷ umocnienie zwiazane z koherencja.
Strefy GP podczas starzenia samorzutnego daja czesto najwyzsze wartosci umocnienia (twardosc
stabilizuje sie, gdy 50% atomów Cu znajda sie w strefach GP). W nastepnych stadiach starzenia
strefy GP beda sie rozrastac i rosnac odleglosci miedzy nimi.
Oprócz umocnienia zwiazanego z koherencja wystepuje równiez umocnienie wydzieleniowe
zwiazane z wydzieleniami, które stanowia bezposrednia przeszkode dla przemieszczania dyslokacji
- dyslokacje musza je przeciac lub wygiac sie wokól nich tworzac zamknieta petle dyslokacji.
W procesie starzenia samorzutnego, zmiany w strukturze koncza sie na etapie powstawania stref GP.
Kolejne stadia starzenia zachodza wylacznie w temperaturach podwyzszonych (starzenie sztuczne).
Drugie stadium starzenia – polega na wydzielaniu fazy przejsciowej 0" (strefy GP-2) o sieci tetra-
gonalnej, koherentnej z osnowa. Wydzielenia te równiez powoduja umocnienie starzonego stopu
(niedopasowanie parametrów sieci pomiedzy " a osnowa wywoluje odksztalcenia) ale jest ono
czesto mniejsze niz po starzeniu samorzutnym.
35
Wydzielenia " powstaja wskutek rozrastania sie stref GP, pozostale strefy GP rozpuszczaja sie w
osnowie , a Cu przechodzi do rosnacych wydzielen " droga dyfuzji poprzez osnowe.
Trzecie stadium starzenia – polega na wydzielaniu fazy przejsciowej 0' o sieci tetragonalnej,
pólkoherentnej z osnowa (plaskie powierzchnie dysków wydzielen ' sa ciagle koherentne z osnowa
ale krawedzie dysków sa juz niekoherentne). Tworzenie sie wydzielen ' prowadzi juz do spadku
twardosci stopu.
Wydzielenia ' zarodkuja na dyslokacjach w osnowie - wydzielenia " rozpuszczaja sie, a atomy
miedzi przechodza do rosnacych wydzielen '.
Czwarte stadium starzenia – polega na wydzielaniu równowagowej fazy 0 (CuAl
2
) o sieci
tetragonalnej, niekoherentnej z osnowa. Wydzielenia maja ksztalt owalnych czastek a nie dysków,
poniewaz wydzielenia sa juz calkowicie niekoherentne z osnowa. Przemiana fazy ' w równowagowa
faze towarzyszy zerwanie koherencji i zmniejszenie naprezen, co prowadzi do obnizenia twardosci
stopu.
Wydzielenia zarodkuja na granicach ziaren i granicach miedzyfazowych ' – , wydzielenia '
rozpuszczaja sie, a Cu przechodzi do rosnacych wydzielen .
64. Zjawisko nawrotu w stopach aluminium
Zjawisko nawrotu polega na tym, iz samorzutnie wystarzony stop, po krótkotrwalym nagrzaniu w
temperaturze 200 ÷ 250°C osiaga stan, jaki mial po przesyceniu (nastepuje nagly spadek twardosci).
Jest to zwiazane z rozproszeniem niestabilnych termicznie stref GP w roztworze stalym . Po tym fakcie
stop znowu jest w stanie przesyconym i uzyskuje zdolnosc do ponownego samorzutnego starzenia, a po
ponownym nagrzaniu do temperatury 200 ÷ 250°C na nowo staje sie przesycony i zjawisko sie powtarza.
36
65. Zjawisko segregacji grawitacyjnej
Segregacja grawitacyjna jest zwiazana z róznica gestosci cieczy i wydzielajacych sie krysztalów. W
wyniku tego nastepuje opadanie krysztalów na dno wlewnicy (jesli sa ciezsze) lub wyplywanie ich ku
powierzchni (jesli sa lzejsze). Zjawisko to jest niekorzystne, gdyz prowadzi do znacznych róznic w
skladzie chemicznym odlewu. Segregacji mozna zapobiegac poprzez szybkie chlodzenie odlewu lub
poprzez dodawanie do stopu trzeciego skladnika, który tworzy ze skladnikami podstawowymi faze
miedzymetaliczna, krystalizujaca najwczesniej w postaci krysztalów.
66. Materialy na lozyska slizgowe
Lozyska slizgowe sa zespolami elementów maszyn przeznaczonymi do podtrzymywania obracajacych
sie osi albo walów i przenoszenia ich obciazen na podstawe. Lozyska te cechuje bezposrednie stykanie
sie gladkiego czopa i gniazda. Czop walu w lozysku slizgowym opiera sie na panewce lozyskowej.
Stopy lozyskowe, przeznaczone do wyrobu i wylewania panewek lozysk slizgowych, maja miekka i
plastyczna osnowe z twardymi krysztalami nosnymi, zapewniajacymi duza odpornosc na scieranie.
Dzieki takiej wielofazowej strukturze stopu po krótkim okresie pracy, panewka "dociera sie". Objawia
sie to urzezbieniem powierzchni panewki, w której twarde krysztaly wznosza sie ponad te powierzchnie,
wskutek czego miedzy powierzchnia czopa a panewka powstaja kanaly, które wypelnia smar. Miekka
faza umozliwia równiez "dopasowanie sie" krysztalów twardych do powierzchni czopa – uzyskanie
wiekszej powierzchni.
Materialy lozyskowe powinny charakteryzowac sie nastepujacymi wlasciwosciami:
mechanicznymi:
wysoka plastycznoscia (mozliwosc wyrównania nierównosci pomiedzy czopem a panewka);
odpowiednia twardoscia, wytrzymaloscia zmeczeniowa, dobra odpornoscia na uderzenia;
fizycznymi:
dobra przewodnoscia cieplna;
malym wspólczynnikiem rozszerzalnosci cieplnej;
mozliwie malym wspólczynnikiem tarcia;
odlewniczymi:
dobra lejnoscia;
malym skurczem odlewniczym;
brakiem sklonnosci do segregacji chemicznej.
(krysztaly nosne)
37
Materialy na lozyska slizgowe
stopy na osnowie cyny (babbity cynowe), zawierajace 80 ÷ 90% Sn, 4 ÷ 14% Sb i 3 ÷ 8% Cu.
Struktura tych stopów sklada sie z twardych krysztalów majacych ksztalt szescianów (Sn
3
Sb
2
),
iglastych krysztalów (Cu
6
Sn
5
) i miekkiej osnowy, która stanowi drobnoziarnista eutektyka bogata
w Sn. Znajduja zastosowanie na panewki pracujace w ruchu ciaglym przy obciazeniach statycznych i
dynamicznych, moga przenosic naciski powierzchniowe do 10 MPa przy predkosci obwodowej
v > 5 m/s. Naleza do najczesciej stosowanych materialów stopów lozyskowych.
stopy na osnowie olowiu (babbity olowiowe), zawierajace 6 ÷ 17% Sb oraz 17% Sn, jak równiez
dodatki 3% Cu i 1% As. Struktura tych stopów sklada sie z twardych wydzielen faz (Sn
3
Sb
2
, Cu
2
Sb),
decydujace o odpornosci tych stopów na scieranie oraz plastyczna osnowa - eutektyka bogata w Pb.
Znajduja zastosowanie na panewki obciazone statycznie, eksploatowane przy srednich predkosciach
obwodowych v > 1,5 m/s i naciskach powierzchniowych. Stopy te sa tansze od cynowych, lecz
posiadaja gorsze wlasnosci wytrzymalosciowe i cieplne.
stopy miedzi – stosowane do pracy w najciezszych warunkach m.in. przy obciazeniach zmiennych
i uderzeniowych. Lozyskowe stopy miedzi to przede wszystkim brazy cynowe i olowiowe:
brazy cynowe, zawierajace 5 ÷ 20% Sn oraz niewielka ilosc Pb. Dodatek Pb zwieksza zdolnosc
docierania sie panewek. Struktura tych stopów stanowi miekki i plastyczny roztwór staly z
twardymi czastkami fazy miedzymetalicznej . Dzieki takiej dwufazowej budowie brazy cynowe
spelniaja wymagania modelu strukturalnego stopu lozyskowego oraz cechuja sie znaczna
twardoscia i wytrzymaloscia.
brazy olowiowe, w których zawartosc Pb nie przekracza 30%. Mikrostruktura tych stopów
sklada sie ze stosunkowo twardych ziarn Cu i miekkich ziarn Pb, zapewniajace dobre wlasciwosci
slizgowe. Ze wzgledu na duze róznice ciezarów wlasciwych i temperatur topnienia wymagane
jest szybkie chlodzenie podczas krystalizacji lub stosuje sie metalurgie proszków w celu uzyskania
jednorodnosci struktury.
stopy na osnowie aluminium – do zalet stopów na osnowie aluminium zalicza sie duza wytrzymalosc
zmeczeniowa, mala gestosc, wysoka przewodnosc cieplna i odpornosc korozyjna.
Stosuje sie przede wszystkim:
stopy aluminium-cyna, zawierajace ok. 20% Sn i 1% Cu. Wraz ze zwiekszaniem zawartosci Sn
wzrasta odpornosc stopu na zatarcie i maleje wspólczynnik tarcia. Stosowany na material warstwy
nosnej lozysk wielowarstwowych. Sa najbardziej rozpowszechnionymi stopami z tej grupy.
stopy aluminium-krzem, zawierajace 11% Si i 1% Cu, rozwinely sie na bazie stopów
odlewniczych, zwanych siluminami. Posiadaja drobnoziarnista strukture z dyspersyjnymi
czasteczkami Si. Zapewnia to wysoka wytrzymalosc zmeczeniowa i bardzo dobra przyczepnosc
warstwy slizgowej do stalowego pancerza panewki.
zeliwa szare (patrz pkt. 38)
67. Podzial i zastosowanie brazów
Brazami nazywa sie stopy, których podstawowym skladnikiem jest miedz, a glównymi dodatkami
stopowymi (o zawartosci ponad 2%) sa cyna, aluminium, krzem, beryl, mangan, olów. Nazwa poszcze-
gólnych gatunków brazu pochodzi od glównego dodatku stopowego np. braz cynowy, aluminiowy,
krzemowy itd. Brazy klasyfikuje sie wedlug przeznaczenia do obróbki plastycznej i na odlewnicze.
brazy cynowe, o zawartosci do 20% Sn, wykazuja dobre wlasciwosci odlewnicze. Maja równiez
dobre wlasnosci wytrzymalosciowe i duza odpornosc korozyjna – wlasnosci te rosna ze wzrostem
zawartosci Sn. Zastosowania: posagi, armatura wodna, jako stopy lozyskowe.
brazy cynowe do przeróbki plastycznej – zawierajace do 10% Sn. Dzieki strukturze roztworu
stalego wykazuja dobre wlasnosci plastyczne i dobra podatnosc do przeróbki plastycznej na
zimno i na goraco. Przed procesem obróbki plastycznej na zimno stop nalezy poddac wyzarzaniu
ujednorodniajacemu w celu usuniecia struktury dendrytycznej. Zgniot zwieksza umocnienie z
390 MPa (A = 70%) do 740 MPa (A = 3%). Zastosowania: czesci przyrzadów pomiarowych,
sprezyny, elementy slizgowe.
38
brazy cynowe odlewnicze – zawierajace 10% Sn i wiecej. Obecnosc twardej i kruchej fazy
objawia sie lepszymi wlasciwosciami wytrzymalosciowymi oraz przeciwciernymi. W zakresie
wlasnosci odlewniczych wykazuja niewielki skurcz odlewniczy (ponizej 1%), brak jamy usadowej
oraz znaczna porowatosc. Czesto wprowadzane sa dodatki stopowe Zn, Pb. Ze wzgledu na zasto-
sowanie brazy te dzieli sie na: maszynowe (niewielka porowatosc armaturowe (brak porowatosci
lozyskowe. Zastosowania: lozyska silnie obciazone, armatura, przemysl maszynowy.
brazy aluminiowe, zawierajace 5 ÷ 10% Al, cechuja sie wysokimi wlasciwosciami wytrzyma-
losciowymi i duza odpornoscia na korozje. Sa tansze i wytrzymalsze od brazów cynowych oraz
maja najmniejsza gestosc wsród stopów miedzi. Zastosowania: czesci maszyn narazone na korozje,
czesci lozysk, przemysl chemiczny.
do przeróbki plastycznej zawieraja 4 ÷ 8% Al, przerabiane na zimno i na goraco.
odlewnicze zawieraja 8 ÷ 11% Al, mozna je hartowac. R
m
= 600 MPa (w stanie odlanym).
brazy berylowe, o zawartosci ok. 2% Be, przerabiane plastycznie na zimno i na goraco. Poddawane
sa utwardzaniu dyspersyjnemu, dzieki czemu wykazuja najwyzsza wytrzymalosc wsród stopów
miedzi (R
m
= 570 ÷ 1300 MPa). Ponadto wykazuja dobra odpornosc na korozje i przy tarciu nie
iskrza. Zastosowania: na narzedzia nie iskrzace do pracy w atmosferze zagrozonej wybuchem,
szczotki do silników, trakcja elektryczna.
brazy krzemowe, zawierajace do 4,5% Si, odznaczaja sie dobrymi wlasciwosciami mechanicznymi,
w szczególnosci wysoka odpornoscia na scieranie, wytrzymaloscia zmeczeniowa, odpornoscia na
korozje, a przy tym dobra skrawalnoscia i lejnoscia. Zastosowania: membrany, sprezyny, elementy
narazone na scieranie, czesci aparatury chemicznej.
brazy manganowe, zawierajace 5 ÷ 20% Mn, przerabiane plastycznie na zimno i na goraco.
Wykazuja wysokie wlasciwosci plastyczne, duze umocnienie pod wplywem zgniotu oraz duza
opornosc elektryczna. Stosowane do pracy w podwyzszonych temperaturach. Zastosowania: oporniki,
przemysl elektrotechniczny, aparatura pomiarowa.
Wszystkie stopy miedzi oprócz zasadniczego pierwiastka zawieraja i inne polepszajace jego wlasciwosci
pierwiastki. Wiekszosc z nich poddawana jest równiez obróbce cieplnej.
miedzionikle – stopy miedzi z niklem i z ewentualnym dodatkiem innych pierwiastków. Cechuja
sie dobra odpornoscia na korozje i scieranie oraz dobra plastycznoscia. Zastosowania: ozdoby,
monety (15 ÷ 25% Ni), elementy mechaniki precyzyjnej, korpusy zegarków, cyrkle.
Mozna wydzielic grupe miedzionikli:
tzw. stopy oporowe, odznaczajace sie duza rezystywnoscia, np. nikielina (30% Ni) i konstantan
(44% Ni). Zastosowania: oporniki regulacyjne, druty termoparowe.
68. Zjawisko potu cynowego (makrosegregacja dendrytyczna odwrotna)
Zjawisko to polega na wzbogaceniu warstw zewnetrznych wlewka w cyne.
W czasie krzepniecia brazu cynowego tworzace sie dendryty bogate w Cu, narastajac do wewnatrz
wlewka szybko odprowadzaja cieplo ze srodka wlewka. Nastepuje szybkie wykrystalizowanie fazy
bogatej w Cu. W wyniku tego faza bogata w Zn zostaje wycisnieta do warstw zewnetrznych wlewka i
wzbogaca sie w cyne. Jesli czas krzepniecia jest niewystarczajacy, by cyna mogla dyfundowac do
bogatych w Cu dendrytów, to wtedy moze dojsc to tak duzego wzbogacenia warstw zewnetrznych
wlewka w Zn, ze tworzy sie tzw. pot cynowy – faza bardzo bogata w Zn. Zjawisko potu cynowego jest
efektem znacznie wiekszej przewodnosci cieplnej miedzi niz cyny i malym wspólczynnikiem dyfuzji
cyny w miedzi.
Zjawisko to jest niekorzystne z punktu widzenia obróbki plastycznej, gdyz rózny sklad chemiczny na
przekroju wlewka objawia sie zróznicowaniem wlasciwosci plastycznych, co moze prowadzic do
pekania w czasie obróbki plastycznej.
39
69. Podzial i zastosowanie mosiadzów
Mosiadzami nazywa sie stopy miedzi z cynkiem jako glównym skladnikiem. Ze wzgledu na sklad
dziela sie na mosiadze zwykle (zawierajace tylko miedz i do 45% cynku) i mosiadze wielo-
skladnikowe (stopowe). Powyzej 45% zawartosci Zn mosiadze staja sie kruche i nie nadaja sie do
przeróbki plastycznej i odlewy.
Ze wzgledu na strukture mosiadze zwykle (dwuskladnikowe) dzieli sie na:
mosiadze jednofazowe o – zawierajace 2 ÷ 32% Zn, o strukturze dendrytycznej (po odlaniu) lub
ziarnistej z blizniakami rekrystalizacji (po przeróbce plastycznej i wyzarzaniu). Charakteryzuja sie
wysoka plastycznoscia, co umozliwia stosowanie ich na produkty gleboko tloczone i obrabiane
plastycznie na zimno. Wraz ze wzrostem zawartosci Zn wzrasta wytrzymalosc R
m
i plastycznosc.
Najlepsze wlasciwosci plastyczne wykazuje mosiadz luskowy M70 (CuZn30), stosowany do wyrobu
lusek. Zastosowania: luski, chlodnice, przemysl maszynowy.
M 7 0 M 8 0 M 9 0
mosiadze przejsciowe – zawierajace 32 ÷ 39% Zn, w zaleznosci od obróbki cieplnej o budowie
jednofazowej o lub dwufazowej o+ß. Pojawienie sie fazy powoduje wzrost wlasciwosci wytrzyma-
losciowych. Obrabiane plastycznie zarówno na zimno, jak i na goraco. Zastosowania: odkuwki, druty.
M 6 3 M 6 2
mosiadze dwufazowe o + ß – zawierajace 39 ÷ 45% Zn, ze wzgledu na zwiekszona ilosc fazy '
charakteryzuja sie zwiekszona twardoscia HB i wytrzymaloscia na rozciaganie R
m
ale tez mniejsza
plastycznoscia, dlatego sa obrabiane plastycznie wylacznie na goraco. Zastosowania: lozyska,
aparatura.
M 6 0
Ze wzgledu na zastosowanie mosiadze dzieli sie na:
mosiadze do przeróbki plastycznej – to mosiadze dwuskladnikowe i z reguly wieloskladnikowe.
Przykladowe zestawienie wlasciwosci stopu CuZn37:
stan stopu wyzarzony póltwardy twardy sprezysty
R
m
[MPa] 285 342 393 500
A [%] 45 25 15 5
mosiadze odlewnicze – to mosiadze dwufazowe + i z reguly wieloskladnikowe, zawierajace
dodatki (Pb, Mn, Fe, Ni), które polepszaja wlasnosci wytrzymalosciowe i odpornosc na korozje.
Mosiadze odlewnicze cechuje rzadkoplynnosc, dobre wypelnianie form, tak ze nadaja sie one na
odlewy piaskowe, kokilowe i pod cisnieniem. Ich wytrzymalosc w zaleznosci od ilosci dodatków
stopowych jest zawarta w zakresie 200 ÷ 350 MPa i wydluzenie 15 ÷ 50%. Zastosowania: czesci
maszyn, armatura.
70. Choroba wodorowa miedzi
W czasie wyzarzania miedzi utlenionej w atmosferze redukujacej wodór dyfunduje w glab miedzi i
reaguje z tlenkiem miedzi zgodnie z reakcja:
Cu
2
O + H
2
÷ 2Cu + H
2
O
Powstajace czasteczki pary wodnej, ze wzgledu na wysoka temperature i duza preznosc wytwarzaja
znaczne cisnienie, które prowadzi do spadku plastycznosci oraz powstawania mikropekniec i naderwania.
Mozna temu zapobiegac stosujac miedz o zawartosci tlenu nie przewyzszajacej dopuszczalne normy
(dopuszczalna zawartosci tlenu w miedzi zalezy od jej gatunku i waha sie w granicach od 0,001% dla
miedzi prózniowej do 0,15% dla miedzi odlewniczej) lub przeprowadzajac zabieg wyzarzania w atmo-
sferze nie zawierajacej wodoru.

Sponsor Documents

Or use your account on DocShare.tips

Hide

Forgot your password?

Or register your new account on DocShare.tips

Hide

Lost your password? Please enter your email address. You will receive a link to create a new password.

Back to log-in

Close