Cel ćwiczenia
Wytyczne do sprawozdania
Wprowadzenia do tematu
Podział metali nieżelaznych
Przedstawienie podstawowych
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze stopami metali nieżelaznych, stosowanymi głownie jako materiały konstrukcyjne oraz z ich mikrostrukturą i ich charakterystycznymi własnościami oraz wykonanie szkiców przygotowanych próbek i odpowiednia ich identyfikacji na podstawie przygotowanych schematów struktur.
Sprawozdanie powinno być wykonane przez każdego studenta indywidualnie i zawierać następujące elementy:
Cel ćwiczenia
Wiadomości podstawowe dotyczące metali nieżelaznych
Szkice struktur analizowanych próbek wraz z opisem
Wnioski
Przy doborze metali na poszczególne elementy, uwzględnia się wiele czynników które pozwalają dobrać materiał optymalny pod kątem konstrukcyjnym i eksploatacyjnym.
Podstawowy podział tych metali to:
stopy żelaza - stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami;
stopy metali nieżelaznych - brak takiego składnika stopowego jak żelazo, lub jego zawartość w stosunku do pierwiastka wiodącego jest niewielka.
Metale stanowią jedną z największych grup materiałów inżynierskich i charakteryzują się następującymi cechami:
dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne;
dodatni TWR;
zdolność do odbijania promieni świetlnych od wypolerowanych powierzchni;
zdolność do odkształceń plastycznych.
Metale nieżelazne i ich stopy znalazły dość szeroki wachlarz zastosowań ze względu na następujące własności:
duża wytrzymałość;
duża ciągliwość;
twardość;
plastyczność;
odporność na utlenianie;
wysoki stosunek wytrzymałości do masy;
odporność na korozję;
odporność na działanie wysokich temperatur.
Podziału metali nieżelaznych można dokonać ze względu na przewagę jednego ze składników stopowych:
miedź i jej stopy;
aluminium i jego stopy;
stopy łożyskowe;
pozostałe metale nieżelazne i ich stopy (metale szlachetne, metale lutownicze, metale z pamięcią kształtu).
Miedź ze względu na swój wysoki potencjał elektrochemiczny, zachowuje się w obecności większości metali jak metal szlachetny. Na powierzchni pokrywa się zasadową warstwą węglanu miedzi, co chroni ją przed dalszą korozją.
Miedz posiada barwę różowo - czerwoną, jej temperatura topnienie wynosi 1084,5 oC, ciężar właściwy 8,9 g/cm3.
Miedz krystalizuje w układzie ściennie centrowanym i nie posiada odmian alotropowych. Z symetrią tą wiąże się dobra plastyczność miedzi (A5 = 50%).
Miedź ma dość dużą odporność na korozję, zależy ona jednak od rodzaju środowiska.
Stopy miedzi możemy podzielić na odlewnicze i do przeróbki plastycznej.
Czysta miedź.
Powiększenie: 50x
Trawienie: chlorek amonowy miedzi
Mosiądze to stopy miedzi zawierające jako główny dodatek stopowy Zn. Zastosowanie znajduję mosiądze o zawartości Zn do 48%, ponieważ większa zawartość cynku powoduje nadmierną kruchość.
Stopy do 38% mają budowę jednofazową o wielobocznych ziarnach, a powyżej budowę dwufazową.
Własności mechaniczne mosiądzów bardzo szybko pogarszają się w temperaturze powyżej 200 oC, natomiast w temperaturze ujemnej są lepsze niż w temperaturze otoczenia.
Mosiądze jednofazowe ၡ przeznaczone są głównie do obróbki plastycznej na zimno, ၡ+ၢ' do przeróbki plastycznej na gorąco i na odlewy. Oznaczenia mosiądzy: M95 (CuZn5), M90 (CuZn10), M85 (CuZn15), mosiądze z dodatkiem ołowiu: MO63 (CuZn37Pb0,5), MO62 (CuZn36Pb1,5), MO60 (CuZn38Pb1,5).
Mosiądz manganowo-ołowiowo-żelazowy MM47
Powiększenie: 100x
Opis struktury: faza ၢ', drobne, równomierne rozmieszczone wydzielenia ołowiu i fazy żelazowej.
Zastosowanie: wszelkiego rodzaju części maszyn, łożyska, armatura.
Właściwości: odporny na ścieranie i podwyższone temperatury do 230 oC, dobra lejność.
Mosiądz manganowo-ołowiowo MM58
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Roztwór stały ၡ. Faza ၢ', drobne, wydzielenia ołowiu.
Zastosowanie: części maszyn i armatury pojazdów i okrętów.
Właściwości: lejność dostateczna, dobra skrawalność, odporny na ścieranie, korozję i obciążenia statyczne.
Mosiądz ołowiowy MO59
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Roztwór stały ၡ. Faza ၢ', drobne, wydzielenia ołowiu.
Zastosowanie: armatura hydrauliczna, gazowa, budowlana, obudowy części maszyn.
Właściwości: lejność i skrawalność bardzo dobra, odporny na niewielkie obciążenia dynamiczne, korozję i ścieranie.
Mosiądz krzemowo-ołowiowy MKO80
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Roztwór stały ၡ. Faza ၢ'. Wydzielenia ołowiu.
Zastosowanie: armatura i osprzęt oraz części w przemyśle maszynowym i okrętowym.
Właściwości: lejność i skrawalność dobra, spawalny, odporny na korozję wody morskiej, ścieranie, temperatury pracy do 100 oC.
Miedzionikle to te stopy miedzi w których głównym dodatkiem stopowym do miedzi jest Ni. Zawartość niklu może tu sięgać nawet do 45 %.
Stopy te stosowane są tylko w stanie obrobionym plastycznie w celu osiągnięcia wysokich właściwości wytrzymałościowych i należytego wykorzystania drogiego materiału. Posiadają dobre właściwości mechaniczne w zakresie podwyższonych temperatur do 350 oC, dużą odporność na korozję i erozję w wodzie morskiej, na korozję kwasów i atmosfery w wyższych temperaturach.
Rozróżnia się niedzionikle dwu- i wieloskładnikowe (Mn, Fe, Al).
Miedzionikle stosuje się do: platerowania, armaturę i urządzenia klimatyzacyjne w przemyśle okrętowym, elementy oporowe, elektrody do termoelementów, rury kondensatorowe w przemyśle okrętowym.
Oznaczenia miedzionikli to MNxx gdzie xx oznacza udział procentowy składnika stopowego jakim jest nikiel.
BRĄZY
Wszystkie stopy miedzi zawierające ponad 2 % dodatków stopowych (Sn, Al, Mn, Be, P), z wyjątkiem Zn i Ni nazywane są brązami. Cechami charakterystycznymi brązów są przede wszystkim ich tendencja do segregacji, a do obróbki plastycznej nadają się brązy o zawartości Si do 7 %.
Brązy jakie możemy wyróżnić to:
brązy cynowe (Bxx);
brązy aluminiowe (BAxx);
brązy berylowe (BBxx);
brązy krzemowe (BKxx);
brązy manganowe (BMxx);
brązy ołowiowe (BOxx).
BRĄZY CYNOWE
Cechy charakterystyczne brązów cynowych to przede wszystkim:
stopy dwuskładnikowe miedzi z cyną (Cu + Sn);
zastosowanie znajdują stopy o zawartości Sn < 20 %;
własności mechaniczne nie podlegają zmianą wraz ze wzrostem temp. do 250 oC;
do 7 % Sn - są to brązy jednofazowe;
7 - 20 % Sn - są to brązy dwufazowe.
Wyróżniamy brązy cynowe ၡ i dwufazowe ၡ + eutektoid.
Przykłady brązów cynowych: B2 (CuSn2), B4 (CuSn4), B8 (CuSn8),
B443 (CuSn4Pb4Zn3), odlewnicze B10 (CuSn10), B101 (CuSn10P),
B102 (CuSn10Zn2), B1010 (CuSn10Pb10).
Brąz cynowy B10
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Roztwór stały ၡ. Eutektoid (ၡ+ၤ) rozmieszczony w przestrzeniach międzydendrytycznych.
Właściwości: odporny na korozję, ścieranie i temp. do 280 oC, dobra lejność i skrawalność.
Brąz cynowo-ołowiowy B1010
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Roztwór stały ၡ. W przestrzeniach międzydendrytycznych eutektoid (ၡ+ၤ) oraz wydzielenia ołowiu.
Właściwości: bardzo dobra lejność i skrawalność, stosowany na łożyska pracujące przy dużych szybkościach i naciskach, odlewany do form piaskowych i kokilowych.
BRĄZY ALUMINIOWE
Cechy charakterystyczne brązów aluminiowych to przede wszystkim:
struktura jednofazowa lub dwufazowa;
można je hartować;
dobre własności mechaniczne - odporne na korozję w wodzie m morskiej (wykorzystywane na śruby okrętowe);
do 9,5 % Al - jednofazowe ၡ;
9,5 % - 11 % Al - dwufazowe ၡ + eutektoid.
Przykładem brązu aluminiowego jest BA10 o strukturze dwufazowej składającej się z jasnych kryształów ၡ i ciemnego eutektoidu lub brąz odlewniczy BA1032 (CuAl10Fe3Mn2).
Brąz aluminiowo-żelazowo-manganowy BA1032
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Roztwór stały ၡ. Eutektoid (ၡ+ၧ2) oraz drobne wydzielenia fazy żelazowej.
Właściwości: bardzo odporny na obciążenia statyczne, korozję, ścieranie i podwyższone temp. o bardzo dobrej lejności, odlewany do form piaskowych i kokilowych.
Brąz aluminiowo-żelazowo-niklowy BA1044
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Roztwór stały ၡ. Eutektoid (ၡ+ၧ2) oraz drobne wydzielenia fazy żelazowej i fazy ၢ2 (AlNi).
Właściwości: przeciwcierne i przeciwkorozyjne, dobre właściwości mechaniczne, stosowany na gniazda zaworów, koła zębate.
BRĄZY KRZEMOWE
Cechy charakterystyczne brązów krzemowych to przede wszystkim:
od 3 - 4 % Si;
dobre własności ślizgowe;
duża odporność na korozję i dobra twardość;
pod wpływem zgniotów ulegają silnemu wzmacnianiu;
stosowane na odlewy kół zębatych, części pomp, panewek łożysk;
odznaczają się słabym iskrzeniem podczas tarcia.
Przykłady: BK1 (CuSi1), BK31 (CuSi3Mn1).
Brąz krzemowo-cynkowo-manganowy BK331
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Roztwór stały ၡ. Wtórne wydzielenia fazy ၣ.
Właściwości: odlewany do form piaskowych i kokilowych, o dobrej lejności, odporny na korozję i ścieranie, stosowany na łożyska, napędy, pompy, narażone na korozję i złe smarowanie.
BRĄZY BERYLOWE
Cechy charakterystyczne brązów berylowych to przede wszystkim:
od 2 - 6 % berylu;
pod wpływem obróbki cieplnej zwiększają się własności wytrzymałościowe, a obniżają plastyczne;
nadają się do pracy w temp. do 300 oC;
nie iskrzą przy tarciu
utwardzane dyspersyjnie (przesycanie 750-800 oC i starzenie 300-350 oC)
duża wytrzymałość i twardość
Przykładem brązu berylowego jest BB1,7 (CuBe1,7).
Aluminium należy do metali o bardzo dużym znaczeniu technicznym. Jest stosowane w postaci czystego metalu jak i wielu jego stopów. Temperatura topnienia aluminium wynosi 660 oC.
Aluminium wykazuje dużą odporność korozyjną. Na powierzchni pokrywa się cienką warstwą Al2O3, chroniącą dalej przed korozją atmosferyczną, działaniem wody, stężonego kwasu azotowego i siarkowodoru.
Czyste aluminium ma stosunkowo kiepskie właściwości wytrzymałościowe, lecz dzięki wprowadzeniu pierwiastków stopowych można te parametry poprawić nawet kilkakrotnie.
Stopy aluminium dzielimy na plastyczne i odlewnicze.
Stopy plastyczne:
aluminium-mangan, typu Aluman (1-1,5% Mn);
aluminium-magnez, typu Hydroma (2-5% Mg, 1% Mn);
aluminium-magnez-krzem-mangan,
typu Anticorodal (1% Mg i Si, 0,8 Mn);
aluminium-miedź-magnez-mangan, typu Durale
(4-5%Cu, 1%Mg i Mn);
Stopy odlewnicze:
aluminium-krzem, (4-20% Si), oznaczenia AK;
aluminium-miedź (5-12% Cu), oznaczenie AM, (AM5, AM4);
aluminium-magnez (5-10% Mg), oznaczenie AG, (AG10, AG51).
Aluman AlMn1 (PA1), zawiera 1-1,5% Mn i 0,2% Ti. Można go utwardzać przez zgniot. Aluman jest odporny na korozję, cechuje się dobrą spawalnością. Jest stosowannny w przemyśle spożywczym i chemicznym na zbiorniki spawane do cieczy i gazów, do wyrobu rur, drutu i kszałtowników.
Hydronalium AlMn2 (PA2), zawiera 1,7-2,6% Mg, do 0,6% Mn i 0,2% Ti. Jest odporny na działanie wody morskiej. Cechuje się dużą plastycznością, jest odporny na zmęczenie i można go łatwo polerować. Wzrost wytrzymałości uzyskiwany poprzez zgniot. Zastosowanie w przemyśle lotnicznym, okrętowym, chemicznym, spożywczym i transporcie.
Anticorodal AlMg1Si1Mn (PA4), cechuje się dobrą odpornościa na korozję, ale tylko ppo przesyceniu i naturalnym starzeniu, natomiast w stanie wyżarzonym lub po przyspieszonym starzeniu jego odporność korozyjna spada. Stop jest plastyczny i spawalny. Znajduje zastosowanie w przemysle lotnicznym, samochodowym, chemicznym i spożywczym.
Avial AlSi1MgCu (PA10), ma skład i właściwości podobne do anticorodalu (PA4), ma jednak od niego wyższą wytrzymałość, ale nieco mniejszą odporność na korozję.
DURALUMINIUM
Stopy aluminium z Cu i Mg oraz niewielkim dodatkiem Mn, Fe lub Si nazywane są duraluminium lub duralami miedziowymi. Zwiększenia stężenia Cu oraz Mg powoduje podwyższenie własności wytrzymałościowych i obniżenie własności plastycznych oraz podatności durali na obróbkę plastyczną.
Durale miedziowe są stosowane na części maszyn, pojazdów mechanicznych, taboru kolejowego, samolotów. Do grupy tej należą między innymi stopy: PA6 (AlCu4Mg1), PA7 (AlCu4Mg2), PA21 (AlCu4Mg0,5). Są mało odporne na korozję, platerowany czystym aluminium, stosowany na obciążone elementy konstrukcje lotnicze i pojazdów mechanicznych, dostarczane w postaci blach, rur, kształtowników i odkuwek.
Siluminy to podstawowy stop aluminium stosowany w przemyśle, wytwarzany przez dodanie takiego składnika stopowego jak Si w ilości od 9÷13%. Krzem jako podstawowy składnik tych stopów, zapewnia dobrą lejność i mały skurcz odlewniczy.
Siluminy wykazują znaczną żarowytrzymałość i dzięki temu są powszechnie stosowane na wysoko obciążone tłoki silników spalinowych. Wytwarza się z nich również wiele silnie obciążonych części maszyn dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracującego w podwyższonych temperaturach i w wodzie morskiej.
Stopy Al z niewielkim dodatkiem Si bo ok. 1% są przeznaczone głównie do obróbki plastycznej na średnio obciążone elementy konstrukcji lotniczych i mechanicznych.
Siluminy możemy podzielić na trzy grupy:
poduetektoidalne;
eutektyczne;
nadeutektyczne.
Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem (do 0,1%). Dodatek sodu obniża temperaturę przemiany eutektycznej i powoduje przesunięcie punktu euetkyki do stężeń około 13% krzemu. Dzięki temu stopy, które normalnie są nadeutektyczne krzepną jako podeutektyczne z dendrytami wydzieleń ၡ (ubogiego w krzem) na tle drobno-ziarnistej eutektyki (ၡ+ၢ)
Przykłady stopów: AK20, AK12, AK11, AK9, AK7, AK64, AK52, AK51.
AK20
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Równomierne rozmieszczenie nadeutektycznych kryształów krzemu.
Właściwości: stosowany na odlewy bardzo obciążonych tłoków silników spalinowych, odlewany do form kokilowych
AK11
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Eutektyka (ၡ+Si).
Właściwości: odlewany do form piaskowych , kokilowych i pod ciśnieniem, stosowany na odlewy o skomplikowanym kształcie dla przemysłu elektrycznego i okrętowego.
AK11
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Eutektyka (ၡ+Si) w przestrzeniach międzydendrytycznych.
Właściwości: pracujący w podwyższonych temperaturach, odporny na korozje wody morskiej.
AG51
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Eutektyka (ၡ+Mg2Si) w przestrzeniach międzydendrytycznych roztworu stałego ၡ.
Właściwości: odlewany ciśnieniowo, do form piaskowych i kokilowych, stosowany na odlewy o dużej odporności na korozję, gorszy od stopów AlSi.
AM4
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Eutektyka (ၡ+Al2Cu) rozmieszczona w przestrzeniach międzydendrytycznych roztworu stałego ၡ.
Właściwości: odlewany do form kokilowych i piaskowych, stosowany na odlewy części samochodowych, mierne właściwości odlewnicze.
Stopy łożyskowe są to stopy służące do wylewania panewek łożyskowych. Wymagania jakie się przed nimi stawia to:
własności mechaniczne wystarczające do pracy w podwyższonych temperaturach;
odpowiednie własności powierzchniowe;
odporność na kwasy znajdujące się w smarach.
Właściwości stawiane stopom łożyskowym:
odporność na zużycie;
zdolność przenoszenia wymaganych obciążeń bez zatarcia;
zdolność do odkształcania się;
dobra odporność na korozję chemiczną;
odpowiednią wytrzymałość na zmęczenie;
dobre przewodnictwo cieplne;
mały współczynnik rozszerzalności cieplnej;
mała zmienność twardości przy podwyższonych temperaturach;
dobra smarność.
Stopy łożyskowe ze względu na to jakie wymagania się przed nimi stawia można podzielić na:
stopy łożyskowe cynowe;
stopy łożyskowe cynowo - ołowiowe;
stopy na osnowie ołowiowej bezcynowe;
brązy cynowe;
brązy ołowiowe;
stopy aluminium;
Stopy łożyskowe na osnowie cyny i ołowiu.
Do grupy tych stopów zaliczamy:
Ł89 (SnSb8Cu3), struktura składa się z twardych kryształów SnSb (sześcioboki) i Cu6Sn5 (iglasty kształt) na tle miękkiej osnowy ၡ;
Ł83 (SnSb11Cu6), struktura składająca się z jasnych wydłużonych kryształów Cu6Sn5 na tle ciemnego roztworu bogatego w cyne;
Ł16 (PbSn16Sb16Cu), struktura w której występują jasne kryształy fazy międzymetalicznej SnSb (w postaci kwadratów i prostokątów), fazy Cu2Sb (w postaci igieł) na tle ciemnej eutektyki.
Inne przykłady to: Ł10As (PbSn10Sb14Cu2As) i Ł6 (PbSn6Sb6)
Ł83
Powiększenie: 100x
Opis struktury: Widoczne sześciany SnSb i iglaste kryształy Cu6Sn5 w roztworze fazy ၡ.
Właściwości: stosowany na panewki łożysk pracujących przy obciążeniach uderzeniowych (silniki okrętowe powyżej 2000 KM), panewki cienkościenne łożysk samochodowych oraz silników lotniczych.
Materiał kompozytowy jest kombinacją dwóch lub więcej materiałów (elementy wzmacniające, wypełniacze i lepiszcze stanowiące osnowę kompozytu) różniących się rodzajem lub składem chemicznym w skali makroskopowej. Składniki materiałów kompozytowych zachowują swoja tożsamość, ponieważ nie całkowicie rozpuszczają się w sobie, jak również nie łączą się w inne elementy, natomiast oddziałują wspólnie.
Materiały kompozytowe najczęściej zawierają włókna lub cząsteczki faz i są sztywniejsze i bardziej wytrzymałe niż ciągła faza osnowy. Wiele elementów wzmacniających zapewnia także dobrą przewodność cieplną i elektryczną oraz niższy współczynnik rozszerzalności cieplnej oraz/lub dobrą odporność na ścieranie.
Kompozyty MMC (metal-matrix composites) są to kompozyty na osnowie metalowej. Osnową najczęściej bywa: aluminium, stopy aluminium-lit, magnez, tytan.