Tech_tech_drewna_311[32]_O1.03

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

SPIS TREŚCI

1. Wprowadzenie

2. Wymagania wstępne

3. Cele kształcenia

4. Materiał nauczania

4.1. Wiadomości ogólne o metalach i stopach

4.1.1. Materiał nauczania

4.1.2. Pytania sprawdzające

4.1.3. Ćwiczenia

4.1.4. Sprawdzian postępów

4.2. Żelazo i jego stopy

4.2.1. Materiał nauczania

4.2.2. Pytania sprawdzające

4.2.3. Ćwiczenia

4.2.4. Sprawdzian postępów

4.3. Metale nieżelazne i ich stopy

4.3.1. Materiał nauczania

4.3.2. Pytania sprawdzające

4.3.3. Ćwiczenia

4.3.4. Sprawdzian postępów

4.4. Podstawy obliczeń wytrzymałościowych

4.4.1. Materiał nauczania

4.4.2. Pytania sprawdzające

4.4.3. Ćwiczenia

4.4.4. Sprawdzian postępów

4.5. Obróbka metali

4.5.1. Materiał nauczania

4.5.2. Pytania sprawdzające

4.5.3. Ćwiczenia

4.5.4. Sprawdzian postępów

5. Sprawdzian osiągnięć

6. Literatura

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

1. WPROWADZENIE

Poradnik ten będzie Tobie pomocny w nabywaniu umiejętności z zakresu rozpoznawania

metali i ich stopów, określania zastosowania i właściwości metali i stopów, wykonywania
podstawowych obliczeń wytrzymałościowych materiałów, a także obróbki metali.

Jednostka modułowa: Rozpoznawanie metali i ich stopów jest trzecią jednostką

w module ogólnozawodowym dla zawodu technik technologii drewna.

W poradniku zamieszczono:

1. Wymagania wstępne, czyli wykaz niezbędnych umiejętności, które powinieneś posiadać,

aby przystąpić do realizacji tej jednostki modułowej.

2. Cele kształcenia tej jednostki modułowej, które określają umiejętności, jakie opanujesz

w wyniku procesu kształcenia.

3. Materiał nauczania, który zawiera informacje niezbędne do realizacji zaplanowanych

szczegółowych celów kształcenia, umożliwia samodzielne przygotowanie się do
wykonania ćwiczeń i zaliczenia sprawdzianów. Wykorzystaj do poszerzenia wiedzy
wskazaną literaturę oraz inne źródła informacji. Obejmuje on również:

–  pytania sprawdzające wiedzę niezbędną do wykonania ćwiczeń,
–  ćwiczenia z opisem sposobu ich wykonania oraz wyposażenia stanowiska pracy,
–  sprawdzian  postępów,  który  umożliwi  sprawdzenie  poziomu  Twojej  wiedzy  po

wykonaniu ćwiczeń.

4. Sprawdzian osiągnięć w postaci zestawu pytań sprawdzających opanowanie umiejętności

z zakresu całej jednostki. Zaliczenie go jest dowodem umiejętności określonych w tej
jednostce modułowej.

5. Wykaz literatury dotyczącej programu jednostki modułowej.

Jeżeli masz trudności ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to poproś nauczyciela lub

instruktora  o  wyjaśnienie  i  ewentualne  sprawdzenie,  czy  dobrze  wykonujesz  daną  czynność.
Po  przerobieniu  materiału  spróbuj  zaliczyć  sprawdzian  z  zakresu  jednostki  modułowej.
Wykonując  sprawdzian  postępów  powinieneś odpowiadać na pytania tak lub nie, co oznacza,
że opanowałeś materiał lub nie.

Bezpieczeństwo i higiena pracy

W czasie pobytu na warsztatach i w pracowni podczas ćwiczeń praktycznych musisz

przestrzegać regulaminów, przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy oraz instrukcji
przeciwpożarowych, obowiązujących podczas poszczególnych rodzajów prac.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Schemat układu jednostek modułowych

311[32].O1.09

Promowanie i sprzedaż

wyrobów drzewnych

311[32].O1.05

Wykonywanie,

odczytywanie

i interpretowanie szkiców

schematów i rysunków

311[32].O1.07

Wykorzystywanie

metrologii technicznej

Moduł 311[32].O1

Podstawy procesów

technologicznych

311[32].O1.01

Przestrzeganie przepisów

bezpieczeństwa, higieny

pracy, ochrony

przeciwpożarowej oraz

ochrony środowiska

311[32].O1.06

Rozpoznawanie typowych

części i zespołów maszyn

311[32].O1.02

Korzystanie z przepisów

kodeksu pracy

311[32].O1.03

Rozpoznawanie metali

i ich stopów

311[32].O1.04

Rozpoznawanie

składowanie

i zabezpieczanie drewna

311[32].O1.08

Wykorzystywanie techniki

komputerowej i dokumentacji

techniczno - technologicznej

311[32].O1.09

Promowanie i sprzedaż

wyrobów drzewnych

311[32].O1.05

Wykonywanie,

odczytywanie

i interpretowanie szkiców

schematów i rysunków

311[32].O1.07

Wykorzystywanie

metrologii technicznej

Moduł 311[32].O1

Podstawy procesów

technologicznych

311[32].O1.01

Przestrzeganie przepisów

bezpieczeństwa, higieny

pracy, ochrony

przeciwpożarowej oraz

ochrony środowiska

311[32].O1.06

Rozpoznawanie typowych

części i zespołów maszyn

311[32].O1.02

Korzystanie z przepisów

kodeksu pracy

311[32].O1.03

Rozpoznawanie metali

i ich stopów

311[32].O1.04

Rozpoznawanie

składowanie

i zabezpieczanie drewna

311[32].O1.08

Wykorzystywanie techniki

komputerowej i dokumentacji

techniczno-technologicznej

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4. MATERIAŁ NAUCZANIA

4.1. Wiadomości ogólne o metalach i stopach

4.1.1. Materiał nauczania

Metale mają liczne charakterystyczne cechy różniące je od niemetali. Należą do nich:

–

wysoka przewodność elektryczna i cieplna (niemetale są dobrymi izolatorami),

–

własności magnetyczne,

–

rozszerzalność cieplna,

–

plastyczność (większość metali daje się kuć, walcować, ciągnąć itp., podczas gdy
niemetale przy takich próbach kruszą się),

–

połysk zwany metalicznym, który można zwiększyć przez szlifowanie i polerowanie.

Własności metali ma ponad 80 pierwiastków i duża liczba ich stopów. Spośród tych

pierwiastków tylko nieliczne wykorzystywane są w technice. Należą do nich głównie: glin
(aluminium), żelazo, magnez i tytan. W mniejszym rozmiarze ze względu na stosunkowo
mniejsze złoża miedź, mangan, chrom i wanad oraz cynk, cyna, ołów, nikiel i kobalt.

Metale dzielą się na dwie podstawowe grupy: metale żelazne (stopy żelaza z węglem)

oraz metale nieżelazne.

Metale chemicznie czyste, ze względu na swoje niskie własności wytrzymałościowe,

stosuje  się  w  technice  jedynie  z  uwagi  na  ich  własności  fizyczne  lub  chemiczne.  Do  budowy
maszyn  i  urządzeń  oraz  innych  zastosowań  opisanych  w  kolejnych  materiałach  nauczania
stosuje  się  głównie  stopy  różnych  metali, a często  również  niemetali. Jednymi z ważniejszych
są  stopy  żelaza  (stale  o  różnym  składzie  i  różnych  własnościach,  staliwa  i  żeliwa) oraz  stopy
metali nieżelaznych (miedź, aluminium, cyna, cynk).

Metale występują w przyrodzie jako składniki różnych minerałów lub rud.

Własności metali i stopów

Własności metalu lub stopu określa jego struktura. Metal lub stop poddany obróbce

cieplnej zmienia swoją strukturę, a tym samym i własności.

Własności metali i stopów dzieli się na fizyczne, chemiczne, mechaniczne,

technologiczne lub specjalne.

Do własności fizycznych zalicza się takie parametry jak gęstość, temperaturę topnienia,

rozszerzalność i przewodność cieplną, przewodność elektryczną.

Do własności chemicznych należy odporność na działanie środowiska zewnętrznego

(kwasów, zasad, wilgotnego powietrza, gazów, wysokiej temperatury), tj. odporność na
korozję.

Do własności mechanicznych metali i stopów zalicza się wytrzymałość materiału,

sprężystość, plastyczność, twardość, udarność, ciągliwość.

Własności technologiczne materiału określa jego przydatność do różnego rodzaju

obróbki, np. kucia, tłoczenia, spawania itp.

Własności specjalne to zachowanie się metali i stopów w specyficznych warunkach

użytkowania,  np.  w  warunkach  podwyższonej  lub  obniżonej  temperatury,  przy
podwyższonych  lub  obniżonych  ciśnieniach  itp.  Do  własności  specjalnych  zalicza się również
i  takie,  których  metale  i  stopy  zwykle  nie  wykazują,  a  które  stwarza  się  przez  odpowiednie
dodatki  podczas  wytopu.  Do  metali  i  stopów  o  takich  własnościach  można  zaliczyć:  stopy
o wysokiej oporności omowej, stopy niemagnetyczne, stale żaroodporne, odporne na zużycie,
korozję.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 1. Główne własności mechaniczne metali i stopów

Wytrzymałość materiału

Graniczna odporność materiału na działanie sił zewnętrznych

Wytrzymałość na rozciąganie Stosunek największej siły rozciągającej do przekroju pierwotnego rozrywanej

próbki

Wytrzymałość na ściskanie

Stosunek największej siły ściskającej w chwili rozkruszenia próbki do jej
przekroju początkowego

Sprężystość

Zdolność materiału do odzyskiwania pierwotnego kształtu i wymiarów po
zdjęciu obciążenia wywołującego odkształcenie

Granica sprężystości

Największa wartość obciążenia rozciągającego (ściskającego), które nie
powoduje jeszcze odkształceń trwałych

Plastyczność

Zdolność materiału do zachowania odkształceń (bez pęknięć) po zdjęciu
obciążenia

Granica plastyczności

Naprężenie odpowiadające rozciągającemu obciążeniu wywołującemu
odkształcenia trwałe próbki

Wydłużenie i przewężenie

Cechy materiału charakteryzujące własności plastyczne materiału

Wydłużenie jednostkowe

Stosunek przyrostu długości rozciąganej próbki po zerwaniu do jej początkowej
długości

Przewężenie

Stosunek zmniejszenia się przekroju w szyjce rozciąganej próbki do przekroju
początkowego

Twardość

Własność materiału stawiania oporu odkształceniom plastycznym przy
miejscowym oddziaływaniu obcego, twardego ciała na jego powierzchnię

Udarność

Odporność materiału na pękanie przy uderzeniach

Ciągliwość

Zdolność materiału do dużych odkształceń pod wpływem sił zewnętrznych

Aby móc racjonalnie stosować metale i stopy należy dokładnie poznać ich własności.

Własności te zależą od składu chemicznego stopu i jego budowy krystalograficznej.

Budowa wewnętrzna (struktura) metali i stopów

Głównym wskaźnikiem krystalicznej budowy ciała nie jest zewnętrzna forma, lecz

struktura

wewnętrzna.

Ciało

krystaliczne

stanie

stałym

charakteryzuje

się

uporządkowanym,

regularnym

rozmieszczeniem

atomów

tworzących

przestrzenną

krystaliczną siatkę. Siatka składa się z licznych równoległych krystalograficznych płaszczyzn,
oddalonych od siebie o określona odległość. W węzłach siatki rozmieszczone są atomy.

Metale mogą znajdować się w trzech stanach skupienia: stałym, płynnym i gazowym.

Przejście  z  jednego  stanu  skupienia  w  drugi  następuje  przy  określonych  temperaturach
i  towarzyszących  im  zmianach  własności  metali.  Metale  czyste  krzepną  w  stałej,  ściśle
określonej  dla  danego  metalu,  temperaturze.  W  czasie  krzepnięcia  zmienia  się  objętość
metali. Z reguły objętość metalu skrzepłego jest mniejsza od objętości metalu ciekłego.

Przechodząc ze stanu płynnego w stan stały wszystkie metale uzyskują budowę

krystaliczną.  Ze  wzrostem  szybkości  oziębiania  wzrasta  liczba  ośrodków  krystalizacji,  a  tym
samym  rozmiary  ziaren  maleją.  W  niektórych  metalach  przemiany  następują  również
w  skrzepłym  metalu.  Przy  takich  przemianach  następuje  przegrupowanie  się  atomów
z jednego  typu  siatki  przestrzennej  w  drugą.  Zjawisko  to  nazywa  się  alotropią,  a  sam  proces
przemianą alotropową.

Zmianie budowy krystalicznej towarzyszą zmiany własności fizycznych, chemicznych

i mechanicznych. Przemianom alotropowym poza żelazem podlegają również: cyna, kobalt,
mangan, tellur, cyrkon i tytan. Zjawisko alotropii jest wykorzystywane w obróbce cieplnej
metali.

Wady budowy krystalicznej w istotny sposób wpływają na własności wytrzymałościowe

i plastyczne metali. Dążenie do ograniczenia wad budowy krystalicznej jest jednak
technicznie bardzo trudne. Osiągnięciu tego celu sprzyjają więc procesy technologiczne
odlewania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej, omówione w dalszym materiale nauczania.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Kryształy roztworu stałego różnią się od mieszaniny tym, że zostaje w nich zachowana

siatka przestrzenna, w której obok atomów rozpuszczalnika rozmieszczają się atomy
składników stopu (atomy rozpuszczonego składnika zamieniają sobą atomy rozpuszczalnika
albo rozmieszczają się między nimi).

W przypadku połączeń chemicznych wzajemne powiązanie składników charakteryzuje

się wytworzeniem nowej siatki przestrzennej, odmiennej od siatek składników stopu.
Stosunek składników stopu jest przy tym ściśle określony.

4.1.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie cechy odróżniają metale od niemetali?
2.  Jakie wyróżniamy rodzaje własności metali i stopów?
3.  Jakie parametry zalicza się do własności fizycznych, chemicznych i mechanicznych?
4.  Na czym polega budowa wewnętrzna metali i stopów.
5.  Jak można przedstawić graficznie zależność własności wytrzymałościowych metali od

gęstości wad budowy krystalicznej?

6. Jak scharakteryzować poszczególne rodzaje połączeń składników stopów?
7. Jaki jest wpływ składników stopowych na własności mechaniczne stopów?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Określ podstawowe własności metali i stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat własności metali i ich stopów,
2)  określić podstawowe własności metali i stopów,
3)  scharakteryzować główne własności mechaniczne metali i stopów,
4)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru format A-4,
–  ołówek/długopis,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj budowę wewnętrzną metali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat budowy wewnętrznej metali,
2)  scharakteryzować w formie pisemnej budowę wewnętrzną metali,
3)  przedstawić  graficznie  schemat  zależności  własności  wytrzymałościowych  metali  od

gęstości wad budowy krystalicznej,

4) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru w kratkę format A-4,
–  ołówek/długopis,
–  przymiar liniowy,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 3

Scharakteryzuj budowę wewnętrzną stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat budowy wewnętrznej stopów,
2)  scharakteryzować w formie pisemnej budowę wewnętrzną stopów,
3)  przedstawić graficznie wpływ składników stopowych na własności mechaniczne stopów,
4)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru w kratkę format A-4,
–  ołówek/długopis,
–  przymiar liniowy,
–  literatura z rozdziału 6.

4.1.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) wyjaśnić jakie cechy odróżniają metale od niemetali?

2) określić rodzaje własności metali i stopów?

3) określić parametry zaliczane do własności fizycznych, chemicznych

i mechanicznych?

4) wyjaśnić na czym polega budowa wewnętrzna metali i stopów?

5) przedstawić graficznie zależność własności wytrzymałościowych metali

od gęstości wad budowy krystalicznej?

6) scharakteryzować poszczególne rodzaje połączeń składników stopów?

7) scharakteryzować wpływ składników stopowych na własności

mechaniczne stopów?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.2. Żelazo i jego stopy

4.2.1. Materiał nauczania

Stopy żelaza z węglem

Węgiel jest podstawowym składnikiem wpływającym w sposób zasadniczy na własności

stopu żelazo-węgiel. Składnikami strukturalnymi stopów żelazo-węgiel są ziarna ferrytu,
cementytu, perlitu, austenitu i ledeburytu.

Ferrytem nazywa się prawie czyste chemicznie żelazo. Rozpuszczalność węgla w żelazie

jest mała i wynosi 0,006-0,03%. Ferryt jest trwały do temperatury 910

C. Twardość ferrytu

jest niewielka i wynosi 60-100 kG/mm

w zależności od grubości ziarna. Plastyczność ferrytu

jest bardzo duża.

Cementyt jest związkiem chemicznym żelaza z węglem. Zawiera 6,67% węgla i stanowi

bardzo twardy (twardość do 820 kG/mm

) i kruchy materiał krystaliczny, który podczas

nagrzewania do wysokich temperatur rozkłada się na ferryt i wolny węgiel. Stal nie obrobiona
cieplnie jest tym twardsza, im więcej zawiera cementytu.

Perlit stanowi równomierna mieszaninę ferrytu i cementytu. Może występować w dwóch

rodzajach:  jako  płytkowy  i  jako  ziarnisty.  Perlit  płytkowy  podczas  ogrzewania  ulega  zmianie
w  perlit  ziarnisty,  w  którym  cementyt  znajduje  się  w  postaci  okrągłych  ziaren  na  tle  ferrytu.
Perlit  ziarnisty  charakteryzuje  się  lepszymi  właściwościami  mechanicznymi  niż  płytkowy.
Perlit  według  swoich  własności  zajmuje  pośrednie  miejsce  między  ferrytem  i  cementytem.
Stal o zawartości węgla 0,80% ma czystą strukturę perlityczną.

Austenit jest to stały roztwór węgla w żelazie. Zawartość węgla dochodzi w przybliżeniu

do 2%. W zwykłych stalach węglowych austenit jest trwały do temperatury 723

C. Poniżej tej

temperatury austenit podczas powolnego chłodzenia rozkłada się na ferryt, cementyt i perlit.
W temperaturach poniżej 723

C austenit może się zachować jedynie w niektórych stalach

wysokostopowych, zawierających takie składniki, jak: nikiel, chrom, mangan. Stale
austenityczne odznaczają się bardzo dużą plastycznością i są niemagnetyczne.

Ledeburyt jest to eutektyczna mieszanina austenitu i cementytu o zawartości węgla 4,3%.

Wydziela się z żelazowęglowego stopu w temperaturze 1145

C. Trwałość zachowuje tylko

w temperaturze 721-1145

C. Poniżej tego zakresu ledeburyt zmienia swoją strukturę,

ponieważ wchodzący w jego skład austenit przemienia się w perlit, wskutek czego ledeburyt
składać się będzie z perlitu i cementytu. Ledeburyt jest kruchy i ma znaczną twardość.

Struktura stopów żelazowęglowych zależy nie tylko od zawartości węgla i temperatury

stopu, lecz również od szybkości, z jaką stop jest chłodzony. Przy powolnym chłodzeniu stali
nagrzanej do temperatury struktury austenitycznej, austenit przekształca się w perlit, ferryt
i cementyt. Przy dużych szybkościach chłodzenia w wyniku rozpadania się austenitu
otrzymuje się struktury stali: sorbit, troostyt, bainit i martenzyt.

Sorbit jest mieszaniną drobnego cementytu i ferrytu. Są dwa rodzaje sorbitu: hartowania

i odpuszczania. Sorbit hartowania (rozkład austenitu w temperaturze ok. 600

C) składa się

z  płytek  ferrytu  i  cementytu,  z  tym  że  płytki  cementytu  są  znacznie  cieńsze  niż  w  perlicie.
Sorbit  jest  bardziej  twardy  od  perlitu,  ale  ma  mniejszą  ciągliwość.  Sorbit  powstający  przy
odpuszczaniu  otrzymuje  się  w  wyniku  rozpadu  martenzytu  w  stali  podczas  jej  odpuszczania
w zakresie temperatur 500-600

Troostyt podobnie jak sorbit występuje jako troostyt hartowania i odpuszczania. Jest to

mieszanina płytek ferrytu i cementytu, bardziej jednak cienkich niż w sorbicie. Troostyt jest
bardziej twardy niż sorbit, jednak mniej plastyczny. Troostyt odpuszczany powstaje
w temperaturze 350-450

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Bainit jest podobnie jak sorbit i troostyt odmiana perlitu, z tym że cementyt jest w nim

bardziej rozdrobniony niż w troostycie. Otrzymuje się go w wyniku izotermicznego
(w temperaturze 300-400

C) rozpadu austenitu.

Martenzyt jest stałym roztworem węgla w żelazie. Ma dużą twardość (600 kG/mm

), jest

odporny na zużycie, ale jednocześnie mało plastyczny i ciągliwy. Martenzyt występuje
w strukturze stali hartowanej po szybkim jej schłodzeniu.

Struktura i własności stali i żeliwa zmieniają się podczas ich ogrzewania do temperatur

krytycznych, których wysokość zależy od zawartości węgla w tych stopach. Krytyczne
temperatury stopów żelazowęglowych o różnej zawartości węgla przedstawia tzw. wykres
żelazo-węgiel.

Rys. 3. Wykres żelazo-węgiel [5, s. 324]

Powyższy wykres pozwala określić dla każdego składu stali i żeliwa temperaturę jego

topnienia oraz strukturę stopu w dowolnej temperaturze.

Stale

Stale są to stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami zawierające do 2% węgla,

otrzymywane

procesach

metalurgicznych,

zwanych

stalowniczymi.

Materiałem

wyjściowym  do  wytwarzania  stali  jest  surówka  wytopiona  w  wielkim  piecu  oraz  złom
stalowy.  Proces  otrzymywania  stali  polega  na  wypaleniu  z  surówki  nadmiaru  węgla  i  innych
domieszek.  Aby  otrzymać  odpowiednie  gatunki  stali  wprowadza  się  specjalne  dodatki
stopowe,  jak  np.  nikiel,  chrom,  wanad.  Otrzymany  po  wypaleniu  produkt  przerobiony
plastycznie nazywamy stalą.

Stale łatwo poddają się kuciu, tłoczeniu, obróbce mechanicznej, cieplnej i chemicznej.

Mają dużą wytrzymałość, są plastyczne i ciągliwe.

Ze względu na dużą liczbę gatunków stale można sklasyfikować według sposobu

wytwarzania, metody przeróbki, składu chemicznego i zastosowania. Ogólną klasyfikację
stali przedstawia tabela 2.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 2. Ogólna klasyfikacja stali [1, s. 93]

Kryterium podziału

Grupy stali

Skład chemiczny

węglowe, stopowe

Podstawowe zastosowanie

konstrukcyjne, narzędziowe, o szczególnych własnościach

Stopień czystości

zwykłej jakości, wyższej jakości, najwyższej jakości

Sposób wytwarzania

martenowska, elektryczna, konwertorowa

Sposób odtleniania

uspokojona, półuspokojona

Rodzaj wyrobów

blachy, druty, rury, pręty

Postać

lana, kuta, walcowana na gorąco, na zimno, ciągniona

Stan kwalifikacyjny

surowy, zmiękczony, normalizowany

Stale konstrukcyjne stosuje się do wyrobu elementów maszyn, w budownictwie itp.

Zalicza się do nich stale węglowe o zawartości węgla do 0,70% i różne stale stopowe.
Stopowe stale konstrukcyjne dzieli się według przeznaczenia na stale resorowe, sprężynowe,
na łożyska toczne itp.

Stale narzędziowe są wykorzystywane do produkcji narzędzi tnących, tłocznych,

pomiarowych  itp.  Zalicza  się  do  nich  stale  węglowe  o  zawartości  węgla  powyżej  0,65%
i  niektóre  stale  stopowe.  Stale  narzędziowe  dzieli  się  ponadto    w  zależności  od  warunków
pracy  narzędzia  na  przeznaczone  do  pracy  na  zimno  (do  200

C) i przeznaczone do pracy na

gorąco. Wyróżnia się również stale tzw. szybkotnące.

Stale specjalne są to stale stopowe mające szczególne własności, jak np. stale odporne na

korozję

(nierdzewne),

żaroodporne, kwasoodporne, o specjalnych własnościach

magnetycznych.

Rys. 4. Zastosowanie stali węglowych [5, s. 333]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Dominujący wpływ na strukturę i własności stali węglowych wywiera węgiel. W miarę

podwyższania  stężenia  tego  pierwiastka  w  stali  zmniejszeniu  ulega  udział  miękkiego
i  plastycznego  ferrytu  w  strukturze  stali,  a  zwiększeniu  udział  twardego  i  kruchego
cementytu.  Z  tego  względu  stale  o  większej  zawartości  węgla  wykazują  większą  twardość,
wytrzymałość  na  rozciąganie  i  granicę  plastyczności.  Zwiększenie  stężenia  węgla  powoduje
przy

tym

jednoczesne

zmniejszenie

własności

plastycznych

ciągliwości

stali,

a w szczególności wydłużenia, przewężenia i udarności.

Rys. 5. Wpływ węgla na własności mechaniczne
stali węglowych [1, s. 94]

Zawartość węgla decyduje również o własnościach technologicznych stali. Przy

większych  stężeniach  węgla  stal  cechuje  się  większym  współczynnikiem  liniowej
rozszerzalności  cieplnej  i  mniejszą  przewodnością  cieplną,  co  zwiększa  naprężenia  cieplne
i  skłonność  do  pęknięć.  Zwiększona  zawartość  węgla  pogarsza  podatność  stali  na  obróbkę
plastyczną  na  zimno  i  na  gorąco.  Węgiel  o  stężeniu  powyżej  0,25%  zdecydowanie  pogarsza
również  spawalność  stali.  Stale  niskowęglowe  z  kolei  o  stężeniu  węgla  mniejszym  od 0,25%
ze względu na dużą ciągliwość wykazują gorszą skrawalność.

Staliwo

Staliwem nazywamy stal odlaną w formie odlewniczej, nie poddanej obróbce plastycznej.
Własności staliw, podobnie jak stali węglowych, zależą głównie od stężenia węgla.

Staliwa  nisko-  i  średniowęglowe  cechują  się  dobrą  spawalnością.  Staliwo  dzieli  się  na
konstrukcyjne  i  stopowe  –  odporne  na  korozję,  żaroodporne,  narzędziowe  itp.  Staliwo
stopowe  znajduje  szerokie  zastosowanie  w  postaci  odlewów  części  o  dużych  przekrojach
i w specjalnych warunkach pracy.

Własności mechaniczne staliwa są nieco gorsze niż stali przerobionej plastycznie o tym

samym składzie. Z kolei staliwa są bardziej plastyczne od żeliw.

Podobnie jak stale można poddawać staliwo obróbce cieplnej, co pozwala na

podniesienie  ich  własności  mechanicznych.  Oprócz  tego  odlewy  kokilowe  poddaje  się
wyżarzaniu  odprężającemu.  Czynnikiem  obniżającym  własności  odlewów  jest  obecność
porów,  a  nawet  jam  skurczowych,  jak  również  wzrost  grubości  ścianek  prowadzi  do
obniżenia własności wytrzymałościowych.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Żeliwa

Żeliwa są to stopy żelaza z węglem, w których zawartość węgla wynosi 2-3,8%. Oprócz

węgla w żeliwie znajdują się domieszki krzemu, manganu, siarki i fosforu. W żeliwach
stopowych zawarte są specjalne dodatki zmieniające własności żeliwa, takie jak chrom,
nikiel, molibden i inne.

W budowie maszyn są stosowane głównie żeliwa szare i wysokojakościowe stopowe,

sferoidalne, modyfikowane i ciągliwe.

W żeliwach szarych węgiel występuje w postaci grafitu. Grafit w żeliwie można

porównać  z  porami  i  pęknięciami.  Im  ich  więcej,  tym  niższe  są  mechaniczne  własności
żeliwa.  Na  strukturę  żeliwa  wywierają  również  wpływ  domieszki:  mangan,  fosfor,  siarka,
a  szczególnie  krzem.  Żeliwa  szare  charakteryzują  się  dobrymi  własnościami  odlewniczymi,
dobrą  obrabialnością,  dużą  odpornością  na  zużycie  i  zadowalającymi  własnościami
mechanicznymi.  Stosuje  się  je  na  takie  elementy  jak  kadłuby  cylindrów  silników,  obudowy,
tłoki, łożyska itp. Cechą ujemną żeliwa szarego jest trudna spawalność.

Żeliwa zmodyfikowane otrzymuje się przez dodanie do żeliwa szarego o stosunkowo

niskiej  zawartości  węgla  (2,7-3,1%),  przed  odlaniem  go  do  form,  specjalnych  dodatków
zwanych  modyfikatorami  (żelazokrzem,  wapniokrzem).  Modyfikowanie  żeliwa  znacznie
podnosi  jego  własności  mechaniczne,  np.  zwiększa  się  odporność  na  ścieranie,  cechuje  się
lepszą  lejnością.  Stosuje  się  je  m.in.  na  wały  korbowe  silników,  koła  zębate,  gąsienice
ciągnikowe.

Żeliwa sferoidalne są odmianą żeliwa modyfikowanego (po dodaniu np. manganu), co

zwiększa własności wytrzymałościowe i plastyczne żeliwa. Zastępują staliwo, a nawet
odkuwki stalowe, Stosuje się je m.in. na koła zębate, wrzeciona, tłoki silników
wysokoprężnych i pierścienie tłokowe.

Żeliwo ciągliwe otrzymuje się przez długotrwałe wyżarzanie odlewów z żeliwa białego,

wskutek czego odlewy uzyskują własności plastyczne i stają się obrabialne. Zastępuje staliwo.
Stosuje się na piasty kół, wsporniki, tulejki itp.

Żeliwa stopowe uzyskuje się dodając żelazostopy do kadzi przed odlewaniem do form.

Dodanie pierwiastków stopowych powoduje nadanie żeliwom specjalnych własności, np.
odporności na korozję, żaroodporności, żarowytrzymałości lub podwyższenie ich własności
mechanicznych.

Żeliwa tego typu stosowane są w przemyśle chemicznym

i petrochemicznym, jako żeliwa konstrukcyjne oraz w przemyśle elektrotechnicznym np. jako
materiały niemagnetyczne lub jako oporniki elektryczne.

4.2.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie znasz składniki strukturalne stopów żelaza z węglem?
2.  Jak narysować wykres żelazo-węgiel?
3.  Jakie znasz rodzaje stopów żelaza z węglem?
4.  Jakie właściwości posiadają poszczególne stopy żelaza z węglem?
5.  Czy znasz ogólną klasyfikację stali?
6.  W jaki sposób stężenie węgla wpływa na wytrzymałość na rozciąganie, granicę

plastyczności, twardość, wydłużenie i przewężenie?

7. Jakie potrafisz wskazać zastosowania stali węglowych?
8. Czy potrafisz określić zastosowania żeliwa?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 3

Zgromadź i przedstaw przedmioty, narzędzia ze stali węglowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  odszukać w literaturze informacje na ten temat,
2)  zgromadzić przykładowe przedmioty, narzędzia ze stali węglowych,
3)  przedstawić i określić poszczególne przedmioty,
4)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  stolik,
–  przykładowe przedmioty ze stali węglowych,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 4

Przedstaw graficznie i scharakteryzuj wpływ węgla na własności mechaniczne stali

węglowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z literaturą na ten temat,
2) przedstawić graficznie krzywe wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności,

twardości, wydłużenia i przewężenia w zależności od masowego stężenia węgla,

3)  scharakteryzować wpływ węgla na własności mechaniczne stali węglowych,
4)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru w kratkę formatu A4,
–  ołówek/długopis,

–

przymiar liniowy,

–

krzywik,

–

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 5

Scharakteryzuj właściwości żelaza i jego stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat właściwości żelaza i jego stopów,
2)  scharakteryzować właściwości żelaza i jego stopów,
3)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
4)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

– notatnik,
– arkusz papieru formatu A4,

–

ołówek/długopis,

–

literatura z rozdziału 6.

4.2.4. Sprawdzian postępów

Tak Nie

Czy potrafisz:

1) określić składniki strukturalne stopów żelaza z węglem?

2) narysować wykres żelazo-węgiel?

3) określić rodzaje stopów żelaza z węglem?

4) scharakteryzować właściwości poszczególnych stopów żelaza z węglem?

5) przedstawić ogólną klasyfikację stali?

6) scharakteryzować wpływ stężenia węgla na wytrzymałość na rozciąganie,

granicę plastyczności, twardość, wydłużenie i przewężenie?

7) wskazać zastosowania stali węglowych?

8) określić zastosowania żeliwa?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3. Metale nieżelazne i ich stopy

4.3.1. Materiał nauczania

Metale nieżelazne

Do metali nieżelaznych zalicza się wszystkie metale oprócz żelaza i jego stopów.

Stanowią one główne składniki stopów przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach,
przeciwciernych i różnorodnych stopów w elektrotechnice.

Zakres stosowania metali nieżelaznych określają ich własności.

Tabela 3. Podstawowe własności niektórych metali nieżelaznych [5, s. 342]

Własności fizyczne i mechaniczne

Metal

Symbol

chemiczny

Ciężar

właściwy
[kG/cm

]

Temperatura

topnienia

[

Przewodność

elektryczna

[om.mm

/m]

Twardość

[kG/mm

]

Wytrzymałość

na rozciąganie

[kG/mm

]

Wydłużenie

jednostkowe

[%]

Magnez

1,74

651,0

0,045

Glin (aluminium)

2,70

660,0

0,026

Tytan

4,50

1660,0

0,475

105

Antymon

6,60

630,5

Cynk

7,14

419,5

0,057

Chrom

7,19

1550,0

Mangan

7,20

1260,0

Cyna

7,28

232,0

0,115

Kadm

8,65

321,0

Kobalt

8,83

1495,0

Nikiel

8,90

1452,0

0,072

Miedź

8,93

1038,0

0,017

Srebro

10,50

960,8

0,016

Ołów

11,34

327,4

0,188

Wolfram

19,30

3370,0

Krótka charakterystyka podstawowych metali nieżelaznych podana jest poniżej.
Magnez jest metalem najlżejszym z metali konstrukcyjnych, srebrzystobiałym, z silnym

połyskiem. W powietrzu pokrywa się warstewką tlenku magnezu, matowieje. Ogrzany do
temperatury 700

C w atmosferze powietrza ulega samozapłonowi. Jest kowalny i ciągliwy.

W stanie czystym ma ograniczone zastosowanie, głównie w pirotechnice. Jest stosowany
głównie do produkcji stopów oraz jako odtleniacz, reduktor i modyfikator stopów.

Aluminium jest jednym z lżejszych metali. Jest srebrzystobiałe, kowalne, bardzo

ciągliwe,  jest  dobrym  przewodnikiem  ciepła  i  elektryczności,  charakteryzuje  się  dobrą
lejnością,  ma  jednak  dość  duży  skurcz.  Stosowane  jest  przy  wytwarzaniu  aparatury
chemicznej  i  folii  kondensatorowych,  stosuje  się  również  na  powłoki  kablowe,  na  przewody
elektryczne, w przemyśle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali.

Tytan, podobnie jak aluminium i magnez, można zaliczyć do metali lekkich.

Charakteryzuje  się  dość  dużą  wytrzymałością  i  plastycznością,  małym  ciężarem  właściwym,
odpornością  na  korozję  atmosferyczną,  w  wodzie  morskiej  i  kwasach  organicznych.  Jest
stosowany  w  postaci  blach,  rur,  drutu  i  prętów,  przede  wszystkim  w  przemyśle  lotniczym
i rakietowym.

Cynk jest metalem średnio twardym, w normalnej temperaturze jest kruchy,

w temperaturze 100-150

C staje się kowalny i ciągliwy, daje się walcować na cienkie blachy

i drut. Jest metalem o dobrej przewodności cieplnej i elektrycznej, odporny na działanie
czynników atmosferycznych. Stosowany jest do pokrywania żelaza (głównie blach) w celu

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

ochrony przed korozją, pokrywania powierzchni elementów, wyrobu takich stopów jak
mosiądze, brązy, lutowia.

Chrom jest twardy, trudno topliwy, odporny na korozję. Szeroko stosowany jest do

pokrywania galwanicznego (chromowania) przedmiotów stalowych i mosiężnych w celach
dekoracyjnych i antykorozyjnych. Związki chromu stosowane są do produkcji garbników,
farb, elektrolitów do ogniw galwanicznych, materiałów ogniotrwałych i innych.

Miedź jest metalem o barwie czerwonawo-brązowej, niezbyt twardym, ciągliwym

i kowalnym. Poza srebrem jest najlepszym przewodnikiem ciepła i elektryczności. Wyrabia
się z niej różnego rodzaju wymienniki ciepła, stosowana jest na przewody napowietrzne
i trakcyjne, wyroby bimetaliczne, np. rury, druty, a także na pokrycia dachowe itp.

Ołów stanowi bardzo miękki, ciężki, plastyczny, łatwo topliwy metal matowoszary,

kowalny,  o  niewielkiej  wytrzymałości.  Jest  odporny  na  działanie  kwasów  siarkowego
i  solnego.  Stosowany  jest  szeroko  w  przemyśle  chemicznym,  służy  do  wyrobu  płyt
akumulatorowych.  Nadtlenek  ołowiu  (minia)  jest  szeroko  stosowany  jako  rdzoochronna
powłoka  konstrukcji  i  wyrobów  stalowych.  Tlenek  ołowiu  (glejta)  używany  jest  do
wulkanizacji  kauczuku,  do  wyrobu  szkła kryształowego,  kitów,  farb  itp.  Czteroetylek  ołowiu
używany jest jako skuteczny środek przeciwstukowy do benzyny.

Stopy metali nieżelaznych

Zastosowanie czystych metali nieżelaznych ze względu na ich właściwości jest

ograniczone. Do najważniejszych stopów metali nieżelaznych zalicza się stopy: aluminium,
magnezu, tytanu, miedzi, niklu, cynku, cyny i ołowiu.

Stopy aluminium po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet

kilkakrotnie  większą  niż  czyste  aluminium.  Stopy  te  charakteryzują  się  korzystnym
parametrem  konstrukcyjnym,  tzn.  stosunkiem  wytrzymałości  do  ciężaru  właściwego,  który
jest  większy  niż  dla  stali.  Oprócz  tego  ich  udarność  w  miarę  obniżania  temperatury  nie
maleje,  dzięki  czemu  w  niskich  temperaturach  mają  większą  udarność  niż  stal.  Stopy
aluminium  dzieli  się  na  odlewnicze  oraz  do  obróbki  plastycznej.  Do  odlewniczych  zalicza się
stopy  wieloskładnikowe  o  większej  zawartości  pierwiastków  stopowych  (5-25%),  np.
z  krzemem,  z  krzemem  i  magnezem,  z  krzemem,  miedzią,  magnezem  i  manganem,
z  krzemem,  miedzią  niklem,  magnezem  i  manganem.  Stopy  do  obróbki  plastycznej  zawierają
mniejsze  ilości  dodatków  stopowych,  głównie  miedź  (do  ok.  5%),  magnez  (do  ok.  6%)
i mangan (do 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom tytan.

Tabela 4. Wybrane stopy odlewnicze aluminium [4, s. 384]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Stopy miedzi ze względu na ich wyższe niż czystej miedzi własności wytrzymałościowe

stosuje  się  przede  wszystkim  jako  tworzywo  konstrukcyjne.  Pierwiastki  stopowe  to  głównie:
cynk,  cyna,  aluminium,  beryl,  krzem,  nikiel,  mangan,  ołów.  Stopy  miedzi  z  cynkiem  nazywa
się  mosiądzami,  natomiast  z  cyną  lub  innymi  metalami  –  brązami.  Stopy  miedzi  z  niklem
nazywa się miedzioniklami.

Tabela 8. Mosiądze do obróbki plastycznej [4, s. 405]

W brązach cynowych cyna w zasadniczy sposób wpływa na własności brązu, jej

zawartość  w brązach nie przekracza na ogół 20%. Dodatek do ok.8% cyny powoduje wzrost
wytrzymałości  i  plastyczności.  Przy  wyższych  zawartościach  wydłużenie  gwałtownie  maleje.
Spadek  wytrzymałości  następuje  dopiero  przy  zawartości  powyżej  25%.  Brązy  dzieli  się
w  zależności  od  ich  przeznaczenia  na  odlewnicze i  do obróbki plastycznej.  Stopy  odlewnicze
są  stosowane  częściej  i  mają  większe zastosowanie. Cechują  się wyjątkowo  małym  skurczem
(<1%),  nie  występuje  w  nich  jama  usadowa  powodująca,  że  odlewy  z  brązu  są  mało  zwarte.
Zawartość  cyny  w  brązach  odlewniczych  wynosi  zwykle  ok.  10%,  przy  czym  mogą  również
zawierać dodatek fosforu (do 1,2%) oraz cynku i ołowiu. Fosfor odtlenia stop, powoduje jego
utwardzenie,  ale  obniża  plastyczność,  co  sprawia,  że  brązy  cynowo-fosforowe  są  stosowane
na  odlewy,  od  których  wymaga  się  odporności  na  ścieranie  (np.  panewki,  koła  ślimakowe,
sprężyny). Ołów w ilości 3-6% polepsza skrawalność brązu.

Do obróbki plastycznej stosuje się brązy o niższej zawartości cyny (4-6%). Przed

obróbka

plastyczną

brązy

takie

należy

poddać

wyżarzaniu

ujednorodniającemu

w temperaturze 720-750

C przez kilka godzin, w wyniku czego uzyskują jednorodną

strukturę podatną do obróbki plastycznej. Brązy o niższej zawartości cyny można obrabiać na
zimno, o wyższej zawartości na gorąco. Wybrane stopy brązu zestawiono w tabeli 9.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 9. Brązy odlewnicze [4, s. 412]

Stopy niklu występują przede wszystkim z miedzią, z miedzią i cynkiem oraz z chromem.

Stopy  z  miedzią  (tzw.  monele)  są  głównie  stosowane jako  stopy  odporne  na  korozję.  Można
je  poddawać  obróbce  plastycznej  na  zimno  i  na  gorąco.  Monele  mają  wysokie  własności
wytrzymałościowe  (R

do 700 MPa) i antykorozyjne, które zachowują aż do temperatury

500

C. Są stosowane na łopatki turbin parowych oraz elementy aparatury chemicznej, a także

jako  druty  oporowe  i  do  wytwarzania  wyrobów  galanteryjnych.  Stopy  niklu  z  miedzią
i  cynkiem  znalazły  zastosowanie  do  wyrobu  galanterii,  przedmiotów  ozdobnych  i  sztućców.
Stopy  niklu  z  chromem  są  żarowytrzymałe.  Są  stosowane  głównie  na  elementy  grzewcze
pieców.

Stopy cynku największe zastosowanie znalazły jako stopy z aluminium o zawartości 3,5-

30%  Al,  tzw.  znale.  Oprócz  aluminium  zawierają  one  zwykle  do  5%  miedzi  i  0,05%
magnezu.  Stopy  cynku  przeznaczone  są  zarówno  do  obróbki  plastycznej  jak  i  do  odlewania.
Największe znaczenie mają stopy dwuskładnikowe o zawartości 4% Al i trójskładnikowe (4%
Al.  +  1-3%  Cu).  Można  je  stosować  zarówno  w postaci  odlewów  jak  i obrabiać  plastycznie.
Stopy  cynku  o  większej  zawartości  aluminium  są  stosowane  na  odlewy.  Obróbkę  plastyczną
znali  przeprowadza  się  w  podwyższonych  temperaturach  (200-300

C). Obróbkę znali

z miedzią poniżej 240

C lub powyżej 300

C. Stopy cynku stosuje się szeroko w postaci

odlewów ciśnieniowych, np. korpusy i obudowy różnych urządzeń i aparatów, pokrywy,
części maszyn do pisania i liczników, gaźniki, klamki itp. W stanie obrobionym mają wysoką
wytrzymałość na rozciąganie i dobrą plastyczność.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Tabela 10. Wybrane stopy cynku odlewnicze i do obróbki plastycznej [4, s. 423]

Stopy cyny i ołowiu znalazły liczne zastosowania w technice, np. jako stopy łożyskowe,

lutowia, stopy niskotopliwe, drukarskie. Własności wytrzymałościowe cyny i ołowiu są niskie
(R

poniżej 20 MPa, ok. 4 HB), za to są bardzo plastyczne.

Dużą rolę odgrywają stopy łożyskowe używane do wylewania panewek łożysk

ślizgowych  w  samochodach,  wagonach  i  innych  maszynach.  Charakteryzują  się  dużą
odpornością  na  ścieranie  i  odgrywają  jednocześnie  rolę  nośną.  Stopy  łożyskowe  mają  dobre
właściwości  odlewnicze  i  niezbyt  wysoką  temperaturę  topnienia.  Najlepsze  własności  maja
stopy na osnowie  cyny  z  dodatkiem  miedzi  i  antymonu. Mogą  one  przenosić wysokie naciski
powierzchniowe (powyżej 10 MPa) przy prędkości obwodowej ponad 5 m/s.

Lutowia dzieli się na miękkie i twarde. Lutowanie ma na celu łączenie metali bez ich

nadtapiania i ten warunek spełniają lutowia.

Stopy niskotopliwe są to stopy wieloskładnikowe osiągające temperatury topnienia niższe

od 100

C. Znajdują one zastosowanie na bezpieczniki, czujniki przeciwpożarowe, odlewy

precyzyjne oraz do inkludowania zgładów metalograficznych.

Stopy drukarskie wykorzystuje się w przemyśle poligraficznym. Są to stopy ołowiu

z dodatkiem antymonu i cyny, niekiedy również stopy cynku z dodatkiem Al., Cu i Mg.

Spieki metaliczne

Jedną z metod wytwarzania stopów jest spiekanie proszków metali. Obecnie wytwarza

się tą metodą różne części maszyn i mechanizmów, w tym również materiały łożyskowe
i elementy cierne, a także styki elektryczne, metale trudnotopliwe, płytki skrawające (ostrza
zębów pił do tworzyw drzewnych, frezów, wierteł i innych narzędzi skrawających do drewna)
i kompozyty metalowo-ceramiczne.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Proces

wytwarzania

spieków

składa

się

z dwóch podstawowych operacji

technologicznych: formowania kształtek z proszków metali przez prasowanie w matrycach,
i spiekania, polegającego na wygrzewaniu kształtek w atmosferze ochronnej poniżej
temperatury topnienia przeważającego składnika.

Metalurgia proszków posiada następujące zalety:

–

możliwość formowania gotowych elementów bez potrzeby kosztownej obróbki
mechanicznej (np. koła zębate, krzywki, sitka do maszynek do mięsa),

–

niewielki koszt produkcji przy jej masowym charakterze,

–

możliwość wytwarzania tworzyw o składzie i strukturze nieosiągalnych innymi
metodami (np. wolfram-srebro na styki, brąz-grafit na łożyska, węglik wolframu-kobalt
na płytki skrawające, materiały metalowo-ceramiczne),

–

możliwość automatyzacji procesu wytwarzania,

–

małe zużycie materiałów i energii.

Wyroby wytwarzane metodą metalurgii proszków można podzielić na trzy grupy:
–

spieki na bazie żelaza (spiekane stale),

–

spieki na bazie metali nieżelaznych (łożyska, styki),

–

spieki metalowo-ceramiczne (kompozyty, materiały cierne).
W spiekach na bazie żelaza znaczny udział stanowią spiekane stale węglowe lub

stopowe.  Stale  węglowe  otrzymuje  się  drogą  spiekania  mieszanek  proszku  żelaza  i  grafitu.
Stale  stopowe  wytwarza  się  jako  spieki  Fe-Cu  lub  Fe-Cu-C,  o  zawartości  miedzi  do  kilku
procent. Spieki te mogą być poddawane utwardzaniu wydzieleniowemu. Spieki Fe-Ni cechuje
wyższa  wytrzymałość,  a  ponadto  w  odróżnieniu  od  spieków  Fe-Cu  dość  dobra  ciągliwość.
Spiekane  stale  nadają  się  do  obróbki  cieplno-chemicznej,  najkorzystniejsze  jest
węgloazotowanie.

Spieki na bazie metali nieżelaznych to najczęściej spieki na bazie miedzi – brązy,

mosiądze  cynkowe  i  niklowe.  Ze  spiekanej  miedzi  wykonuje  się  części maszyn  elektrycznych
(komutatory,  pierścienie,  styki).  Większą  wytrzymałość  wykazują  spieki  z  brązu  lub
mosiądzu,  wykonywane  z  proszków  stopowych.  Ze  spieków  tych  wyrabia  się  części
użytkowe  do  maszyn  i  mechanizmów. Samosmarujące  tuleje  łożysk ślizgowych produkuje się
zarówno  ze  spieków  na  osnowie  żelaza  jak  i  brązu.  Do  oddzielnej  grupy  materiałów
łożyskowych  należą  warstwy  ślizgowe  napiekane  na  taśmę  stalową.  Taśmy  z  napieczoną
warstwą  ślizgową  tnie  się  na  części  i  wygina,  wytwarzając  półpanewki  łożysk  ślizgowych,
stosowane w silnikach spalinowych.

Spieki metalowo-ceramiczne zalicza się do materiałów kompozytowych. Celem ich

wytwarzania  jest  uzyskanie  optymalnych  własności  w  grupie  materiałów  ciernych  lub
żarowytrzymałych. Cechą szczególną spiekanych materiałów ciernych jest duży udział porów
zwiększających  dynamiczny  współczynnik  tarcia.  Główne  zastosowanie  materiałów  ciernych
to  hamulce  i  sprzęgła.  W  materiałach  kompozytowych  żarowytrzymałych  cząstki  ceramiczne
zawarte  w  osnowie  metalowej  powodują  powstrzymywanie  procesów  osłabiających
zachodzących  w  wysokiej  temperaturze.  Drogą  spiekania  wytwarza  się  również  materiał
przeznaczony  na  włókna  lamp.  Dodatek  tlenku  toru  do  wolframu  wydłuża  znacznie  czas
eksploatacji  żarówek,  ograniczając  odkształcenia  włókien  pod  własnym  ciężarem.  Obecnie
wytwarza  się  spieki  nazywane  cermetalami,  składające  się  z  tlenku  metalu  i  osnowy
metalowej.  Cermetale  znalazły  zastosowanie  na  kokile,  osłony  termopar,  w  przemyśle
rakietowym  i  energetyce  jądrowej.  Do  materiałów  żaroodpornych  zalicza  się  również  SAP
(ang.  Sintered  Aluminium  Powder  –  spiekany  proszek  aluminium).  Jest  on  prasowany  na
gorąco, a następnie wciskany na gorąco. Może pracować w temperaturze do 450

C nie tracąc

własności wytrzymałościowych. Jest stosowany na tłoki silników spalinowych i osłony
prętów paliwowych reaktorów.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.3.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie znasz główne metale nieżelazne?
2.  Jak można scharakteryzować podstawowe własności metali nieżelaznych?
3.  Jakie potrafisz wskazać zastosowania metali nieżelaznych?
4.  Jakie znasz stopy metali nieżelaznych?
5.  Jakie właściwości posiadają poszczególne stopy metali nieżelaznych?
6.  Jakie zastosowanie mają poszczególne stopy metali nieżelaznych?
7.  Jak możemy przedstawić w formie tabelarycznej skład chemiczny wybranych stopów?
8.  Jak można scharakteryzować metalurgię proszków?
9.  Jakie  potrafisz  wskazać  zastosowania  wyrobów  wytwarzanych  metodą  metalurgii

proszków?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Scharakteryzuj stopy metali nieżelaznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat stopów metali nieżelaznych,
2)  określić rodzaje stopów metali nieżelaznych,
3)  scharakteryzować poszczególne stopy metali nieżelaznych,
4)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–

notatnik,

–

arkusz papieru formatu A4,

–

ołówek/długopis,

–

literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Rozpoznaj przykładowe próbki metali nieżelaznych i ich stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z cechami charakterystycznymi poszczególnych metali nieżelaznych i ich

stopów,

2)  przygotować próbki metali nieżelaznych i stopów metali nieżelaznych,
3)  określić rodzaj metalu lub stopu przy pomocy oględzin wzrokowych oraz narzędzi,
4)  zanotować wyniki oględzin,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  próbki metali nieżelaznych i stopów metali nieżelaznych,
–  stół warsztatowy,
–  lupa,
–  młotek,
–  piła do metalu,
–  pilnik do metalu,
–  wiertarka,
–  wiertła do metalu,
–  notatnik,
–  ołówek/długopis,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 3

Zgromadź i przedstaw przedmioty, narzędzia, elementy maszyn i urządzeń wykonane

z metali nieżelaznych lub ich stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) odszukać w literaturze informacje na ten temat,
2) zgromadzić przykładowe przedmioty, narzędzia elementy maszyn i urządzeń wykonane

z metali nieżelaznych lub ich stopów,

3) przedstawić i określić poszczególne przedmioty,
4) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  stolik,
–  przykładowe przedmioty wykonane z metali nieżelaznych lub ich stopów,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 4

Określ własności i zastosowanie wybranych stopów metali nieżelaznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat własności i zastosowania stopów metali nieżelaznych,
2)  określić własności wybranych stopów metali nieżelaznych,
3)  określić zastosowanie wybranych stopów metali nieżelaznych,
4)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– notatnik,
– arkusz papieru formatu A4,

–

ołówek/długopis,

–

literatura z rozdziału 6.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ćwiczenie 5

Scharakteryzuj metodę wytwarzania stopów poprzez spiekanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat metalurgii proszków,
2)  scharakteryzować metodę wytwarzania stopów poprzez spiekanie,
3)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
4)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– notatnik,
– arkusz papieru formatu A4,

–

ołówek/długopis,

–

literatura z rozdziału 6.

4.3.4. Sprawdzian postępów

Tak Nie

Czy potrafisz:

1) określić główne metale nieżelazne?

2) scharakteryzować podstawowe własności metali nieżelaznych?

3) wskazać zastosowania metali nieżelaznych?

4) określić stopy metali nieżelaznych?

5) scharakteryzować właściwości poszczególnych stopów metali

nieżelaznych?

6) określić zastosowanie poszczególnych stopów metali nieżelaznych?

7) zestawić w formie tabelarycznej skład chemiczny wybranych stopów

metali nieżelaznych?

8) scharakteryzować metalurgię proszków?

9) wskazać zastosowanie wyrobów wytwarzanych metodą metalurgii

proszków?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4. Podstawy obliczeń wytrzymałościowych materiałów

4.4.1. Materiał nauczania

Wytrzymałość materiałów jest nauką zajmującą się zachowaniem ciał stałych pod

wpływem działających na nie sił i momentów sił. Określa się zależności między siłami
zewnętrznymi (obciążeniami) a siłami wewnętrznymi (międzycząsteczkowymi) ciała stałego.

Metalowe materiały konstrukcyjne mają budowę krystaliczną charakteryzującą się

niejednorodnością ziaren. Przy obliczaniu wytrzymałości elementów konstrukcyjnych
przyjmuje się, że rozpatrywane materiały są ośrodkiem ciągłym (jednolitym) i jednorodnym,
czyli mają jednakowe właściwości wytrzymałościowe we wszystkich kierunkach.

W nauce wytrzymałości materiałów metalowe elementy konstrukcyjne nie są ciałami

doskonale sztywnymi, lecz posiadają następujące właściwości:
– odkształcalność, tj, zdolność do zmiany postaci geometrycznej pod wpływem siły

zewnętrznej (obciążenia) lub zmiany temperatury,

– sprężystość (elastyczność), tj. zdolność powrotu do postaci pierwotnej po usunięciu

obciążenia, które spowodowało odkształcenie,

– plastyczność, tj. zdolność do odkształceń trwałych, tzn. takich, które nie znikają po

usunięciu obciążeń je wywołujących,

– wytrzymałość, tj. największą wartość obciążenia, po przekroczeniu której następuje utrata

spójności cząsteczek materiału powodująca zniszczenie (rozerwanie, zgniecenie,
złamanie, ukręcenie) części konstrukcyjnej.

Na element konstrukcyjny mogą działać siły zewnętrzne skupione, obciążenia

równomiernie rozłożone oraz pary sił. Rozpatrywany element może być w pewnych
miejscach zawieszony, podparty lub ustalony.

W sprężystym ciele stałym na skutek działania siły zewnętrznej między sąsiednimi

cząsteczkami  ciała  występują  siły  wewnętrzne,  które  nazywamy  naprężeniami.  Są  one
najczęściej  skierowane  ukośnie  do  powierzchni pomyślanego przekroju.  Składową naprężenia
prostopadłą  do  przekroju  nazywa  się  naprężeniem  normalnym  σ, natomiast  składową  styczną
naprężeniem  stycznym  τ.  Naprężenia  normalne  wywołują  zmiany  długości  (wydłużenia  lub
skrócenia), natomiast naprężenia styczne zmiany kąta.

Rozciąganie i ściskanie

Naprężenia tnące występują nie tylko wtedy, gdy zewnętrzne siły działają przesuwająco

lub tnąco, ale również przy prostym rozciąganiu i ściskaniu w przekrojach ukośnych (nie
prostopadłych do osi pręta). Naprężenia rozciągające uważa się za dodatnie, natomiast

ściskające za ujemne. Przeprowadzając ukośny przekrój 2-2 pod kątem α względem przekroju
1-1 otrzymamy składowe siły P: siłę normalną P

= P cos α oraz siłę styczną P

= P sin α.

Rys. 6. Jednoosiowy stan naprężeń [2, s. 149]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Pole powierzchni ukośnej wynosi F

= F/ cos α. Naprężenia przypadające na 1 cm

powierzchni 2-2 wynoszą:

P cos

naprężenia normalne:

= =

= σ cos

P sin α cos α

naprężenia styczne:

= = = σ sin α cos α = sin 2 α

Zależności wyrażone powyższymi równaniami można przedstawić za pomocą koła

naprężeń Mohra, którego średnica jest równa σ.

Rys. 7. Koło naprężeń Mohra [2, s. 150]

W ukośnych przekrojach przy prostym rozciąganiu lub ściskaniu występują naprężenia

tnące,  których  wartość  osiąga  połowę  wartości  naprężenia  normalnego.  Zauważyć  to  można
na  próbkach poddanych rozciąganiu lub ściskaniu, których materiał ma małą wytrzymałość na
ścinanie.  W  próbkach  tych  następuje  niszczenie  nie  w  płaszczyźnie  prostopadłej  do  osi
działania, ale w płaszczyźnie ukośnej, prawie pod kątem 45

Obliczenia wartości odkształceń sprężystych elementów dokonuje się na podstawie

prawa  Hooke’a,  które  brzmi:  przy  odkształceniach  sprężystych  wydłużenie  (skrócenie)  pręta
rozciąganego  (ściskanego)  jest  wprost  proporcjonalne  do  wartości  siły  rozciągającej
(ściskającej)  F  i  do  jego  długości  początkowej  l

, a odwrotnie proporcjonalne do pola

powierzchni przekroju S

i modułu sprężystości Younga E.

Prawo to można wyrazić wzorem:

F· l

l - l

E·S

gdzie:

l – końcowa długość próbki,
l

– początkowa długość próbki,

F – siła działająca na materiał,
E – moduł sprężystości Younga, który ma wartość stałą dla danych materiałów i dla stali

wynosi 21000 kG/mm

– pole przekroju poprzecznego próbki.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Stosunek siły F do przekroju elementu S

nazywa się naprężeniem.

W czasie rozciągania wydłużenie elementu zmienia się nierównomiernie i równocześnie

zmniejsza się jego przekrój. Siła rozciągająca i wydłużenie przedstawia poniższy wykres, na
którym na osi odciętych zarejestrowano wydłużenie próbki Δl, a na osi rzędnych siłę
rozciągającą P.

Rys. 8. Wykres rozciągania stali niskowęglowej [2, s. 151]

Przebieg krzywej rozciągania od punktu O do H jest prostoliniowy, co wskazuje

proporcjonalność  między  siłą  a  wydłużeniem.  Punkt  H  (z  prawa  Hooke’a)  wyznacza  granicę
proporcjonalności.  Przy  wzroście  obciążenia  od  punktu  H  do  s  następuje  szybszy  przyrost
wydłużenia  i  linia  lekko  się  zagina.  Granica,  przy  której  odkształcenie  trwałe  po  odciążeniu
będzie  mniejsze  od  0,02%  i  element  powróci  do  pierwotnej  długości  (punkt  s),  nazywa  się
granicą  sprężystości.  W  przedziale  od  punktu  s  do  e  zaczyna  występować  trwała  zmiana
długości.  Od  punktu  e  do  e

zaczyna się nagłe obniżenie wartości siły, element wydłuża się

trwale (płynie). Punkt e wyznacza górną granicę plastyczności, a punkt e

dolną. Przy

dalszym wzroście wydłużenia krzywa rośnie do punktu m i kończy się w punkcie
z zerwaniem elementu.

Przebieg ściskania elementu ze stali miękkiej przedstawiają poniższe rysunki.

Na początku ściskania – do punktu H – naprężenia są proporcjonalne do odkształcenia

podłużnego. Równocześnie następuje zwiększenie przekroju elementu przy zmniejszeniu
objętości i tej samej wartości odkształcenia względnego poprzecznego, podobnie jak przy
rozciąganiu. Punkt e określa granicę zgniecenia elementu.

Rys. 9. Wykres ściskania dla
stali miękkiej [2, s. 155]

Rys. 10. Skrócenie podłużne i poszerzenie
poprzeczne przy ściskaniu [2, s. 155]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Ścinanie

Siły styczne działające na element powodują równoległe przesunięcie jego przekrojów.

Miarą tego przesunięcia (lub poślizgu) jest zmiana kąta odkształcenia postaciowego wyrażona
w mierze łukowej:

Δf

γ = = tg γ

Δx

gdzie: γ – kąt odkształcenia postaciowego (odkształcenie kątowe poprzeczne).

Rys. 11. Odkształcenie równoległościanu pod wpływem
naprężeń stycznych [2, s. 161]

Przy naprężeniach normalnych występuje proporcjonalna zależność między naprężeniem

σ a współczynnikiem sprężystości podłużnym α, lub modułem sprężystości podłużnej E,
wyrażona wydłużeniem względnym:

ε = α σ = σ

gdzie: E = .

α
Podobnie występuje zależność proporcjonalna przy przesunięciu Δf między wywołanym

naprężeniem stycznym τ a współczynnikiem sprężystości poprzecznej β lub modułem
sprężystości poprzecznej G wyrażona kątem odkształcenia postaciowego:

γ = β τ = τ

gdzie: G = MPa.

β
Między współczynnikiem sprężystości podłużnej α a współczynnikiem sprężystości

poprzecznej β występuje następująca zależność wynikająca z uzależnienia podłużnych
wydłużeń od poprzecznych przesunięć za pomocą współczynnika Poissona:

υ = 1/m
α m 1
= =
β 2 (m+1) 2 (1+ υ)

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

stąd β = 2 (1+ υ) α lub α = β

2 (1+ υ)

Dla liczby Poissona m = 3 ÷ 4, czyli υ = 1/m = 0,33 ÷ 0,25
β = (2,67 do 2,5) α
α = (0,375 do 0,4) β
Z powyższych wzorów otrzymujemy:
E E
G = ; E = 2 (1+ υ) G oraz υ = - 1
2 (1+ υ)

2 G

Naprężenia ścinające (tnące) występują przy połączeniach nitowanych, sworzniowych,

spawanych i śrubowych.

Cechy wytrzymałościowe elementów konstrukcyjnych

Własności

wytrzymałościowe

materiałów, z których wykonane są elementy

konstrukcyjne, nie zależą od samego materiału, ale również od jego jednorodności, kształtu
i wielkości elementu oraz charakteru obciążenia.

Rozróżnia się następujące rodzaje obciążeń:

–

statyczne (trwałe), tzn. stałe lub powoli narastające i ustępujące,

–

dynamiczne (udarowe), tzn. narastające i ustępujące z dużą prędkością,

–

zmienne powtarzalne,

–

pochodzące od drgań.
Równomierny rozkład naprężeń występuje tylko w prętach pryzmatycznych lub prętach

o  łagodnie  zmieniającym  się  przekroju.  W  miejscach  nagle  zmieniającego  się  przekroju,
powstałego  przez  nawiercenie,  podtoczenie,  nacięcie,  rysy  powierzchniowe,  pory,  wtrącenia,
korozję,  naprężenie  nie  rozkłada  się  równomiernie  na  całym  przekroju,  lecz  występuje
spiętrzenie  lub  koncentracja  naprężeń.  Stosunek  naprężenia  maksymalnego  do  średniego
występującego w rozpatrywanym przekroju nosi nazwę współczynnika kształtu.

Wpływ nierównomiernie rozłożonych naprężeń należy uwzględnić przy stosowaniu

materiałów  ciągliwych  i  kruchych.  Dla  materiałów  ciągliwych,  np.  miękkiej  stali,  naprężenie
maksymalne  powinno  być  mniejsze  od  granicy  sprężystości,  ponieważ  przy  dalszym
bezudarowym  wzroście  obciążenia  można  przekroczyć  granicę  plastyczności,  co  przy
osłabionym  przekroju  i  zmniejszonym  obszarze  możliwości  przewężenia  powoduje  szybkie
zerwanie  pręta.  Przy  obciążeniu  udarowym,  a  szczególnie  przy  ciągłym  obciążeniu
zmiennym,  należy  uwzględnić  wzrost  naprężenia  lub  unikać  nagłej  zmiany  przekroju.
W  przypadku  materiałów  kruchych  (żeliwo,  brąz,  twarda  stal)  oraz  przy  nierównomiernym
rozkładzie  naprężeń  należy  się  starać,  aby  naprężenie  maksymalne  było  mniejsze  od
dopuszczalnego naprężenia na rozerwanie dla danego przypadku obciążenia.

Dla prętów zwisających naprężenie rozciągające określa się uwzględniając ich ciężar

własny:

P ρ g l

= + ≤ k

MPa

F 10 000

gdzie:

P – siła obciążająca pręt [daN],
F – pole przekroju [cm

ρ – gęstość [g/cm

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

g – przyspieszenie ziemskie 9,81 m/s

l – długość pręta [cm].

Zginanie pręta prostego

Schematycznie przedstawiono poniżej belkę pryzmatyczną ustawioną na dwóch

podporach w skrajnych miejscach, których reakcje A i B oraz siła obciążająca P leżą w jednej
płaszczyźnie i są prostopadłe do osi belki.

Rys. 12. Belka na podporach [2, s. 166]

Osią belki (pręta) nazywa się prostą przechodzącą przez środki ciężkości pól przekrojów

poprzecznych.  Na  skutek  zginania  belki siłą  P  oś belki  przekształca się w linię  krzywą.  Jeżeli
ta  linia  leży  w  płaszczyźnie  momentów  zginających,  mamy  do  czynienia  ze  zginaniem
prostym,  natomiast  gdy  odkształcona  linia  nie  pozostaje  w  tej  płaszczyźnie,  to  zginanie
nazywamy ukośnym.

Siła poprzeczna Q jest równa i równoległa do wypadkowej wszystkich sił zewnętrznych

prostopadłych do osi belki znajdujących się po lewej stronie danego przekroju. Nazywa się ją
dodatnią, gdyż skierowana jest w górę, natomiast dla prawej części belki jest ujemną, gdyż
działa w dół.

Moment zginający (gnący) M

= ∑ Q

Δz = Q

z, stąd siła poprzeczna Q

= M

/z.

Moment zginający M

można obliczyć od wypadkowej sił lub jako algebraiczną sumę

momentów sił składowych znajdujących się po lewej stronie danego przekroju, względem
jego środka ciężkości. Wykres momentu zginającego rysuje się po stronie naprężeń
rozciągających.

Skręcanie

Skręcanie ma miejsce gdy na pręt jednostronnie zamocowany działa para sił wywołująca

zewnętrzny moment obrotowy M

= Pa. Na poniższym rysunku poszczególne sąsiednie

przekroje na skutek działania momentu M

obracają się stycznie względem siebie tak, że na

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

całkowitej długości pręta l prosta OB. obracając się o kąt φ przyjmuje położenie OB

natomiast tworząca walca AB przechodzi w linię śrubową AB

o wzniosie 90

-γ.

Rys. 13. Odkształcenia przy skręcaniu [2, s. 197]

Przyjmując, że τ

jest naprężeniem stycznym działającym na promieniu jednostkowym

ρ = 1, oraz proporcjonalność zachodzącą między wydłużeniami a naprężeniami – można
obliczyć wartość naprężenia działającego na promieniu ρ.
τ

= ; τ = ρ τ

Naprężenie to działając na elementarną pierścieniową powierzchnię ΔF = 2 π ρ Δρ

powoduje powstanie elementarnej siły ΔP = ΔF

= ΔF ρ τ

oraz elementarnego momentu

wewnętrznego ΔM = ΔP ρ.

Dla zachowania równowagi moment sił zewnętrznych M

musi być mniejszy lub równy

momentowi sił wewnętrznych M

≤ M

= Σ ΔP ρ = Σ ΔF τ ρ = Σ ΔF τ

= τ

Σ ρ

ΔF = τ

gdzie: I

= Σ ρ

ΔF jest biegunowym momentem bezwładności przekroju.

max

= τ

Wielkość = W

nazywa się biegunowym wskaźnikiem wytrzymałości przekroju.

r
Dla określenia wymiarów wału miarodajny jest największy moment obrotowy M

, który

można podobnie przedstawić jak moment zginający wzdłuż osi wału.

Jednostkowy kąt skręcenia wału przypadający na 1 cm jego długości wyznacza się

z zależności:
M

max

2 τ

max

υ = = =

G I

G r G d

a całkowity kąt skręcenia wału φ = υ l.

Szczegółowy opis obliczeń wytrzymałościowych wraz z przykładami znajdziesz

w literaturze pod pozycją 2.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.4.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Jakie właściwości posiadają elementy konstrukcyjne?
2.  Jak można scharakteryzować jednoosiowy stan naprężeń?
3.  Jak brzmi prawo Hooke’a i jaki wzór je wyraża?
4.  Jakie są poszczególne etapy rozciągania stali niskowęglowej?
5.  Jaki jest rozkład sił przy odkształceniu równoległościanu pod wpływem naprężeń

stycznych?

6.  Jakie znasz rodzaje obciążeń?
7.  Jaki wzór określa naprężenia rozciągające dla prętów zwisających?
8.  Jak określamy układ sił i momentów sił dla różnych układów belek na podporach?
9.  Jak wykonujemy przykładowe obliczenia wytrzymałościowe materiałów na rozciąganie,

ściskanie, ścinanie, zginanie i skręcanie?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Oblicz przekrój F, naprężenie σ

, odkształcenie względne ε i wydłużenie Δl dla pręta ze

stali sprężynowej E = 220 000 MPa, o średnicy d = 2 cm, długości l = 159 cm, obciążonego
siłą

P = 23 562 daN.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat obliczeń przy rozciąganiu materiałów,
2)  określić wzory dla wymaganych obliczeń,
3)  dokonać koniecznych przekształceń wzorów,
4)  podstawić dane w odpowiednich jednostkach miary,
5)  wykonać obliczenia,
6)  przedstawić graficznie naprężenia,
7)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  ołówek/długopis,
–  kalkulator,
–  linijka,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Podaj wzrost naprężenia w stalowej śrubie mocującej korpus obudowy wykonany

z duraluminium wywołany przekręceniem nakrętki o pół obrotu przy skoku śruby h = 3 mm,
jeżeli przekrój trzpienia śruby F

= 4 cm

, tulei duraluminiowej F

= 8 cm

, moduły

sprężystości E

= 210 000 MPa, E

= 72 000 MPa, l

= 800 mm oraz l

= 850 mm.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat obliczeń przy ściskaniu i rozciąganiu materiałów,
2)  określić wzory dla wymaganych obliczeń,
3)  dokonać koniecznych przekształceń wzorów,
4)  podstawić dane w odpowiednich jednostkach miary,
5)  wykonać obliczenia,
6)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  ołówek/długopis,
–  kalkulator,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 3

Oblicz średnicę nita d łączącego dwa płaskowniki o grubości g = 8 mm obciążone siłą

rozciągającą P = 2 500 daN, jeżeli dopuszczalne naprężenie na ścinanie k

= 90 MPa,

dopuszczalne naprężenie na rozciąganie k

= 120 MPa.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z zasadami obliczeń przy ścinaniu,
2)  narysować schemat połączenia płaskowników nitem,
3)  określić wzory dla wymaganych obliczeń,
4)  dokonać koniecznych przekształceń wzorów,
5)  podstawić dane w odpowiednich jednostkach miary,
6)  wykonać obliczenia,
7)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  ołówek/długopis,
–  kalkulator,
–  linijka,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 4

Sporządź wykres momentu zginającego dla belki obciążonej siłami P

= 300 daN, P

= 700

daN oraz P

= 1200 daN, rozmieszczonymi w równych odległościach od brzegów belki

i między sobą wynoszących 40 cm, przy założeniu, że belka podparta jest w skrajnych
punktach.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1) zapoznać się z literaturą na temat zginania pręta prostego,
2) sporządzić schemat obciążenia belki z uwzględnieniem działających sił i reakcji podpór,

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

3)  obliczyć momenty względem ustalonego punktu,
4)  wykonać wykres momentu zginającego,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  ołówek/długopis,
–  linijka,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 5

Oblicz τ

max

i γ dla wału o średnicy d = 20 mm, długości l = 1 000 mm, skręcanego

momentem obrotowym M

= 942,5 daN cm, przyjmując G = 800 000 daN/cm

= 80 000 MPa.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat skręcania materiałów,
2)  określić wzory dla wymaganych obliczeń,
3)  dokonać koniecznych przekształceń wzorów,
4)  podstawić dane w odpowiednich jednostkach miary,
5)  wykonać obliczenia,
6)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

– notatnik,

–

ołówek/długopis,

–

kalkulator,

–

literatura z rozdziału 6.

4.4.4. Sprawdzian postępów

Tak Nie

Czy potrafisz:

1) określić właściwości elementów konstrukcyjnych?

2) scharakteryzować jednoosiowy stan naprężeń?

3) sprecyzować prawo Hooke’a?

4) scharakteryzować poszczególne etapy rozciągania stali niskowęglowej?

5) określić rozkład sił przy odkształceniu równoległościanu pod wpływem

naprężeń stycznych?

6) określić rodzaje obciążeń?

7) przedstawić wzór określający naprężenia rozciągające dla prętów

zwisających?

8) określić układ sił i momentów sił dla różnych układów belek

na podporach?

9) wykonać przykładowe obliczenia wytrzymałościowe materiałów

na rozciąganie, ściskanie, ścinanie, zginanie i skręcanie?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5. Obróbka metali

4.5.1. Materiał nauczania

Obróbka cieplna

Obróbka cieplna polega na zabiegach zmierzających do zmiany struktury metalu, a tym

samym jego własności zarówno mechanicznych (wytrzymałość, ciągliwość, sprężystość,
twardość itp.), jak i fizycznych czy technologicznych (np. skrawalność) pod wpływem ciepła.

Prawidłowy przebieg obróbki cieplnej zależy od temperatury nagrzania przedmiotu,

czasu nagrzewania, szybkości ogrzewania i szybkości chłodzenia. Do obróbki cieplnej zalicza
się zabiegi wywołujące zmiany strukturalne materiału w stanie stałym, takie jak:
–

wyżarzanie,

–

ulepszanie cieplne,

–

utwardzanie dyspersyjne.
Wyżarzanie

może

przebiegać

bez

przemiany

fazowej

(ujednorodnianie,

rekrystalizowanie, odprężanie) lub z przemianą fazową (zupełne, normalizowane,
izotermiczne, zmiękczanie, perlityzowanie, przegrzewanie). Ulepszanie cieplne to:
hartowanie,

odpuszczanie,

wymrażanie

stabilizowanie.

W ramach utwardzania

dyspersyjnego wykonuje się przesycanie i starzenie.

Nagrzewanie podczas zabiegów obróbki cieplnej nie powinno wywoływać naprężeń

(odkształceń)  oraz  zmian  powierzchniowych  (utlenienie,  odwęglenie  stali)  przedmiotu.
Spełnienie  pierwszego  warunku  wymaga  równomiernego  nagrzewania  z  szybkością
dostosowana  do  gatunku  stali  i  kształtu  przedmiotu.  Stale  zwykłe  nisko-  i  średniowęglowe
można  nagrzewać  z  dowolną  szybkością,  natomiast  stale  wysokowęglowe  i  stopowe  należy
nagrzewać wolno.

Jednym z głównych procesów obróbki cieplnej metali jest hartowanie. Hartowanie

zwiększa twardość, wytrzymałość i granicę plastyczności stali. Wyróżnia się hartowanie
zwykłe, stopniowe, izotermiczne i powierzchniowe.

Hartowanie zwykłe polega na nagrzaniu materiału w odpowiedniej temperaturze

i następnie szybkim bezpośrednim schłodzeniu do temperatury czynnika chłodzącego.

Hartowanie stopniowe polega na nagrzaniu materiału do takiej samej temperatury jak

przy  hartowaniu  zwykłym,  wygrzaniu  w  tej  temperaturze,  a  następnie  stopniowym
chłodzeniu:  najpierw  w  kąpieli  pośredniej do temperatury tej kąpieli, a następnie w powietrzu
do  temperatury  otoczenia.  Hartowanie  stopniowe  zmniejsza  naprężenia  wewnętrzne
i odkształcenia.

Hartowanie izotermiczne polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatury jak przy

hartowaniu zwykłym, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie chłodzeniu w kąpieli
pośredniej, lecz o temperaturze wyższej niż przy hartowaniu stopniowym, wytrzymaniu w tej
kąpieli, a następnie studzeniu na powietrzu.

Hartowanie powierzchniowe polega na bardzo szybkim nagrzaniu powierzchniowej

warstwy materiału do temperatury jak przy hartowaniu zwykłym i następnie szybkim
chłodzeniu. Dzięki temu zabiegowi na powierzchni przedmiotu tworzy się twarda i odporna
na ścieranie powłoka grubości od kilku dziesiętnych milimetra do kilku milimetrów.

Kolejnym z procesów obróbki cieplnej jest odpuszczanie. Polega on na ogrzaniu

uprzednio zahartowanej stali do odpowiedniej temperatury (poniżej 723

C) i następnie jej

ochłodzeniu. Odpuszczanie usuwa naprężenia hartownicze, a ponadto zmniejsza kruchość
stali i jej twardość, zwiększa natomiast jej ciągliwość. W zależności od temperatury
odpuszczania rozróżnia się trzy jego rodzaje: niskie, średnie i wysokie.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Odpuszczanie niskie, prowadzone w temperaturze 150-250

C, ma na celu zmniejszenie

naprężeń hartowniczych przy zachowaniu twardości stali.

Odpuszczanie średnie odbywa się w temperaturze 400-500

C i ma na celu uzyskanie

dużej wytrzymałości i sprężystości stali przy jednoczesnym zmniejszeniu jej kruchości.

Odpuszczanie wysokie odbywa się w temperaturze 500-600

C. Ma na celu uzyskanie

korzystnych własności wytrzymałościowych przy niewiele tylko pogorszonych własnościach
plastycznych.

Ulepszanie cieplne jest to połączenie zabiegów hartowania i wysokiego odpuszczania.

Powoduje ono silne zwiększenie plastyczności stali.

Wyżarzanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu stali do odpowiedniej

temperatury,  wygrzaniu  jej  w  tej  temperaturze  przez  dłuższy  czas  i  następnie  powolnym
studzeniu  do  temperatury  otoczenia.  Temperatura,  od  której  nagrzewa  się  stal  przy
wyżarzaniu,  zależy  od  celu,  który  należy osiągnąć. Jest  nim  zwykle  polepszenie  obrabialności
skrawaniem  przez  nadanie  stali  miękkości  (tzw.  wyżarzanie  zupełne)  lub  przywrócenie  stali
plastyczności  (wyżarzanie  rekrystalizujące),  którą  utraciła  przez  zgniot  kryształów  w  czasie
obróbki  przez  kucie,  walcowanie  lub  tłoczenie.  Celem  wyżarzania  może  być  również
zmniejszenie

miejscowych

niejednorodności

składu

chemicznego

(wyżarzanie

ujednorodniające), albo uzyskanie struktury drobnoziarnistej w stalach przegrzanych
(wyżarzanie normalizujące) lub wreszcie usunięcie naprężeń wewnętrznych (wyżarzanie
odprężające).

Obróbka cieplno-chemiczna

Obróbka cieplno-chemiczna jest procesem technologicznym polegającym na zmianie

składu  i  struktury  warstwy  powierzchniowej  materiału  pod  wpływem  ciepła  i  środowiska
aktywnego  chemicznie.  Polega  ona  na  wprowadzeniu  drogą  przenikania  (tzw.  dyfuzji)
w  podwyższonej  temperaturze  do  wierzchniej  warstwy  wyrobu  dodatkowego  składnika.  Ten
rodzaj  obróbki  cieplnej  zwiększa  twardość  powierzchniową  stali  i  jest  stosowany  w  tych
przypadkach,  gdy  chodzi  o  zwiększone  wymagania  co  do  odporności  na  zużycie  trących  się
powierzchni,  odporności  na  działanie  czynników  chemicznych  (korozja),  przy  zachowaniu
ciągliwego i dostatecznie elastycznego rdzenia.

Do zabiegów obróbki cieplno-chemicznej należą: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie,

aluminiowanie,

nachromowywanie,

szerardyzacja,

odwęglanie,

nakrzemowywanie,

nasiarczanianie, naborowywanie.

Nawęglanie polega na wprowadzeniu węgla w zewnętrzną warstwę przedmiotu

stalowego.  Nawęglanie  stali  postępuje  stopniowo,  przy  czym  głębokość  warstwy  nawęglonej
wynosi  0,2-2,5  mm.  Nawęglanie  umożliwia  po  późniejszym  zahartowaniu  przedmiotu
uzyskanie  twardej  i  odpornej  na  ścieranie  warstwy,  przy  zachowaniu  miękkiego  rdzenia
przedmiotu.  Rozróżnia  się  nawęglanie  w  środowiskach  stałych  (w  proszkach),  gazowych
i ciekłych.

Azotowanie polega na tym, że powierzchniowa warstwa stali lub żeliwa zostaje nasycona

w podwyższonej temperaturze (500-850

C) azotem, dzięki czemu ulega silnemu utwardzeniu,

staje się odporna na ścieranie i korozję.

Cyjanowanie polega na nasyceniu powierzchni przedmiotów stalowych jednocześnie

węglem i azotem przez wygrzewanie w odpowiednio wysokiej temperaturze (500-950

w ośrodku wydzielającym węgiel i azot. Warstwa cyjanowana ma po zahartowaniu większą
twardość i odporność na ścieranie niż zahartowana warstwa nawęglana.

Nachromowywanie dyfuzyjne polega na nasyceniu powierzchniowej warstwy stali

chromem. W warstwie powierzchniowej ze stali niskowęglowej tworzy się stały roztwór
chromu w żelazie, a wysokowęglowych dodatkowo węgliki chromu. Nachromowana warstwa
jest odporna na zużycie i korozję.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Nasiarczanianie stali zmniejsza współczynnik tarcia, czas docierania i chroni przed

zatarciem. Proces może być połączony z równoczesnym nawęglaniem lub azotowaniem.

Naborowywanie (nasycanie warstwy wierzchniej borem) daje warstwę o dużej twardości,

przewyższającej twardość zahartowanej stali 1,5-2 razy. Proces odbywa się w temperaturze
930-960

C, elektrolitycznie.

Nakrzemowywanie polega na wprowadzeniu w warstwę powierzchniową krzemu. Może

odbywać się w ośrodku gazowym lub stałym i w zależności od czasu i temperatury pozwala
na uzyskanie nakrzemowanej warstwy o grubości 0,2-0,6 mm.

Obróbka plastyczna metali

Obróbka plastyczna metali jest to proces otrzymywania wyrobów przez plastyczne

odkształcanie materiału pod wpływem działania sił zewnętrznych, bez naruszenia spójności
materiału (bez pęknięć). Miarą odkształceń plastycznych jest zgniot.

Plastyczność materiału zależy od jego składu chemicznego, struktury, temperatury

nagrzania,  szybkości  i  stopnia  odkształcenia,  kierunku  i  wielkości  sił  zewnętrznych
działających  na  metal  itp.,  przy  czym  metale  czyste  charakteryzuje  większa  plastyczność  niż
ich  stopy.  Ze  wzrostem  temperatury  plastyczność  metalu  wzrasta  i  odporność  na  zgniot
i odkształcalność zmniejszają się.

W wyniku plastycznego odkształcenia na zimno niektóre metale i stopy (np. stal, miedź,

brąz) zmieniają korzystnie własności mechaniczne (zwiększa się twardość i wytrzymałość).
Jednak ze wzrostem stopnia zgniotu pogarsza się plastyczność materiału (obniża się
ciągliwość), a więc i jego przydatność do dalszej obróbki plastycznej.

Zarówno umocnienie materiału jak i odkształcenia kryształów metalu są trwałe tylko do

pewnej  temperatury  i  zostają  usunięte  przez wyżarzanie.  Zależnie  od  temperatury  wyżarzanie
prowadzi  się  w  celu  usunięcia  naprężeń  własnych  (odprężanie),  przywrócenia  własności
(nawrot)  lub  struktury  przed  zgniotem  (rekrystalizacja)  zgniecionego  ziarna.  Wyżarzanie
prowadzi się również w celu zwiększenia odporności metalu na korozję.

Rys. 14. Schemat przebiegu zmian zachodzących
podczas wyżarzania zgniecionego materiału [5, s. 372]

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Obróbkę plastyczną prowadzi się w celu:

–

nadania przedmiotowi wymaganych kształtów i wymiarów (walcowanie, kucie, tłoczenie,
ciągnienie),

–

polepszenia własności mechanicznych materiału (dogniatanie),

–

osiągnięcia powierzchni o pożądanych własnościach (krążkowanie, kuleczkowanie,
przepychanie),

–

wywołania naprężeń zwiększających jego wytrzymałość.
W zależności od temperatury obrabianego materiału rozróżnia się obróbkę plastyczną na

zimno (temperatura metalu poniżej temperatury rekrystalizacji) i na gorąco (powyżej
temperatury rekrystalizacji).

W zależności od względnego ruchu narzędzia i przedmiotu rozróżnia się następujące

metody obróbki plastycznej:
–

walcowanie:  zgniatanie  metalu  przez  obracające  się  walce,  które  wywierają  nacisk  na
materiał,  powodując  jego  odkształcenie;  na  gorąco  walcuje  się  pręty,  kształtowniki,
blachy,  rury  itp.;  walcowaniu  na  zimno  poddaje  się  różne  metale  nieżelazne  i  ich  stopy
(miedź, mosiądze, brązy, aluminium itp.), a także stale niskowęglowe,

–

przeciąganie (ciągnienie): stopniowe zmniejszanie przekroju materiału najczęściej na
zimno,

–

kucie swobodne: proces stopniowego kształtowania metalu pod wpływem uderzeń młota
lub nacisku prasy o ruchu postępowo-zwrotnym; za pomocą swobodnego kucia wykonuje
się półwyroby jak np. wały, koła zębate itp. w warunkach produkcji małoseryjnej,

–

kucie matrycowe: jest procesem kształtowania przedmiotu w matrycach, gdzie kształt
i wymiary matrycy odwzorowują wymiary otrzymywanej odkuwki; kucie matrycowe
stosuje się w produkcji wielkoseryjnej,

–

tłoczenie: wykonywane najczęściej na prasach na zimno lub na gorąco za pomocą
tłoczników, ciągowników itp.
Dodatkowo stosuje się również wykańczającą obróbkę elementów przez plastyczne

dogniatanie wygładzające powierzchniowej warstwy metalu. Do głównych sposobów takiej
obróbki należą:
–

rolkowanie: zgniatanie obrabianego elementu między rolkami,

–

krążkowanie (kulkowanie): wygładzanie wewnętrzne lub zewnętrzne przez swobodnie
obracające się rolki (kulki),

–

wygładzanie otworów poprzez przepychanie lub przeciąganie nie obracającej się rolki,

–

kalibrowanie powierzchni prze przepychanie kulki,

–

kulowanie: silne i szybkie uderzanie kuleczek metalowych (śrutu) o powierzchnię,
wyrzucanych z wyrzutnika pneumatycznego.
Powierzchniowa obróbka zgniotem zwiększa wytrzymałość na uderzenia (udarność)

o 50-100%, a odporność na zużycie nawet kilka razy.

4.5.2. Pytania sprawdzające

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.

1.  Na czym polega obróbka cieplna metali?
2.  Jakie znasz zabiegi obróbki cieplnej?
3.  Jak można scharakteryzować poszczególne zabiegi obróbki cieplnej?
4.  Na czym polega obróbka cieplno-chemiczna metali?
5.  Jakie zabiegi wchodzą w skład obróbki cieplno-chemicznej?
6.  Na czym polegają poszczególne zabiegi obróbki cieplno-chemicznej?
7.  Na czym polega obróbka plastyczna metali?
8.  Jakie rozróżnia się metody obróbki plastycznej metali?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1

Opisz obróbkę cieplną metali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat obróbki cieplnej metali,
2)  określić zabiegi wchodzące w skład obróbki cieplnej metali,
3)  scharakteryzować poszczególne zabiegi,
4)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru format A-4,
–  ołówek/długopis,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 2

Scharakteryzuj obróbkę cieplno-chemiczną metali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat obróbki cieplno-chemicznej metali,
2)  określić zabiegi wchodzące w skład obróbki cieplno-chemicznej metali,
3)  scharakteryzować poszczególne zabiegi,
4)  przedstawić powyższe w formie opisowej,
5)  dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru format A-4,
–  ołówek/długopis,
–  literatura z rozdziału 6.

Ćwiczenie 3

Opisz obróbkę plastyczną metali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykonać ćwiczenie powinieneś:

1)  zapoznać się z literaturą na temat obróbki plastycznej metali,
2)  określić metody obróbki plastycznej metali,
3)  scharakteryzować poszczególne metody,
4)  wykonać  schemat  przebiegu  zmian  zachodzących  podczas  wyżarzania  zgniecionego

materiału,

5) przedstawić powyższe w formie opisowej,
6) dokonać oceny poprawności wykonanego ćwiczenia.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

Wyposażenie stanowiska pracy:

–  notatnik,
–  arkusz papieru format A-4,
–  ołówek/długopis,
–  linijka,
–  literatura z rozdziału 6.

4.5.4. Sprawdzian postępów

Czy potrafisz:

Tak Nie

1) zdefiniować obróbkę cieplna metali?

2) określić zabiegi obróbki cieplnej?

3) scharakteryzować poszczególne zabiegi obróbki cieplnej?

4) zdefiniować obróbkę cieplno-chemiczną metali?

5) określić zabiegi wchodzące w skład obróbki cieplno-chemicznej?

6) scharakteryzować poszczególne zabiegi obróbki cieplno-chemicznej?

7) scharakteryzować obróbkę plastyczną metali?

8) określić metody obróbki plastycznej metali?

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

9. W jaki sposób zwiększenie stężenia węgla w stali wpływa na jej własności

technologiczne?
a)  polepsza się podatność stali na obróbkę,
b)  zmniejsza się współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej,
c)  zwiększa się współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej,
d)  zwiększa się przewodność cieplna.

10. Żeliwa są to stopy żelaza z węglem o zawartości węgla:

a)  2,0-3,8%,
b)  3,9-4,2%,
c)  4,3-4,6%,
d)  4,7-5,0%.

11. Który z konstrukcyjnych metali nieżelaznych jest najlżejszy?

a)  chrom,
b)  magnez,
c)  aluminium,
d)  cyna.

12. Mosiądze to stopy:

a)  miedzi z cynkiem,
b)  miedzi z cyną,
c)  miedzi z manganem,
d)  miedzi z magnezem.

13. Obróbkę plastyczną stopów cynku z aluminium (tzw. znali) przeprowadza się

w temperaturze:
a) 50-100

b) 110-150

c) 160-190

d) 200-300

14. Hartowanie zalicza się do obróbki metali:

a)  cieplnej,
b)  cieplno-chemicznej,
c)  mechanicznej,
d)  plastycznej.

15. Jak zachowuje się ledeburyt poniżej temperatury 721

a)  zmienia swoją strukturę ponieważ austenit przemienia się w perlit,
b)  zmienia swoją strukturę ponieważ perlit płytkowy zamienia się w ziarnisty,
c)  nie zmienia struktury ze względu na dużą zawartość węgla,
d)  zmienia strukturę na charakteryzującą się małą twardością.

16. Czym różni się bainit od sorbitu i troostytu?

a)  ponieważ cementyt jest w nim bardziej skoncentrowany,
b)  ponieważ cementyt jest w nim bardziej rozdrobniony,
c)  ponieważ austenit ma budowę płytkową,
d)  ponieważ jako odmiana perlitu uzyskuje się go w temperaturze powyżej 600

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

17. Przy wzroście masowego stężenia węgla w stali następuje:

a)  wzrost twardości i spadek wydłużenia,
b)  wzrost twardości i spadek granicy plastyczności,
c)  spadek twardości i spadek wytrzymałości na rozciąganie,
d)  spadek twardości i wzrost wydłużenia.

18. W jaki sposób wpływa na własności żeliwa dodanie żelazokrzemu lub wapniokrzemu?

a)  obniża jego plastyczność,
b)  poprawia jego przewodność elektryczną,
c)  zwiększa odporność na ścieranie,
d)  poprawia podatność na zginanie.

19. Jakie główne cechy posiadają spieki metalowo-ceramiczne?

a)  wytrzymałość na zginanie i ścinanie,
b)  dobra ciągliwość i plastyczność,
c)  odporność na ścieranie i żarowytrzymałość,
d)  wysoka przewodność elektryczna.

20. Prawo Hooke’a mówi, że:

a) odkształcenie

materiału

pod

wpływem

siły

rozciągającej

jest

odwrotnie

proporcjonalne do tej siły,

b) odkształcenie materiału pod wpływem siły rozciągającej jest wprost proporcjonalne do

tej siły,

c) odkształcenie materiału pod wpływem siły ściskającej jest odwrotnie proporcjonalne

do tej siły,

d) odkształcenie materiału pod wpływem siły ściskającej nie występuje.

„Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”

KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko ............................................................................................................................

Rozpoznawanie metali i ich stopów

Zakreśl poprawną odpowiedź

zadania

Odpowiedź

Punktacja

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

20.

Razem: