OPRACOWANIE 12 PYTAŃ Z NANOMATERIAŁÓW METALICZNYCH

Strona 1 z 16

OPRACOWANIE 12 PYTAŃ Z NANOMATERIAŁÓW

METALICZNYCH – NANOTECHNOLOGIA SEM. 2008/2009

Autorzy:
Ewa Nawrocka
Magdalena Lewicka
Katarzyna Kwiatkowska
Krzysztof Półtorak

1. Wymienić i omówić defekty budowy metali (punktowe, liniowe, złożone)

Najogólniej wady te ze względu na ich cechy geometryczne można podzielić na :

  Punktowe
  Liniowe
  Powierzchniowe

Wpływ wad budowy na własności: Wady budowy krystalicznej w istotny sposób wpływają
na  własności  wytrzymałościowe  i  plastyczne  metali.  Obliczenia  teoretyczne  wykazują,  że
najlepszymi  właściwościami  wytrzymałościowymi  powinny  cechować  się  metale  o  idealnej
budowie  krystalicznej.  Potwierdza  to  fakt,  że  bardzo  duże  własności  uzyskują  kryształy
włoskowate  (monokryształy  o  jednej  dyslokacji  śrubowej).  Praktyczna  metoda  umacniania
metali  polega  na  znacznym  zwiększaniu  gęstości  wad  budowy  krystalicznej,  co  można
osiągnąć przez stosowanie:
stopów metalu o strukturze polikrystalicznej w wyniku rozdrobnienia ziaren, wydzielania faz
o dużej dyspersji a także przez zgniot w skutek odkształcenia plastycznego na zimno.

WADY PUNKTOWE BUDOWY KRYSTALICZNEJ

WAKANSE I ATOMY MIĘDZYWĘZŁOWE

Do wad punktowych cechujących się niewielkimi wymiarami we wszystkich kierunkach
należą

Wakanse (wolne węzły ) w sieci krystalicznej

Atomy międzywęzłowe (które zajęły pozycje w lukach opuszczających węzły sieci na
skutek drgań cieplnych)

Strona 2 z 16

Obecność wakansów i atomów międzywęzłowych powoduje wokół nich lokalne
odkształcenia sieci przestrzennej zwane odpowiednio kontrakcją lub ekspansją.

Mechanizm tworzenia wad punktowych
Liczba wad punktowych budowy krystalicznej jest funkcją temperatury. Wyróżnia się dwa
mechanizmy:
Defekt Schottky`ego- przemieszczanie się atomu w miejsce sąsiadującego wakansu w
wyniku czego powstaje wakans w innym miejscu sieci
Defekt Frenkla- mechanizm polegający na jednoczesnym utworzeniu wakansu i atomu
międzywęzłowego i polega na przemieszczaniu się rdzenia atomowego z pozycji węzłowej do
przestrzeni międzywęzłowej

LINJOWE WADY BUDOWY-DYSLOKACJE

a)  Dyslokacja krawędziowa
b)  Dyslokacja śrubowa
c)  Dyslokacje mieszane

a) Powstanie dyslokacji krawędziowej –pod wpływem przyłożonego naprężenia

następuje  w  krysztale  poślizg    obejmujący  nie  całą  płaszczyznę  ale  tylko  część
określoną. W pozostałej części poślizg nie następuje. [rysunek z wykładów]
Wielkość dyslokacji i wywołane nią odkształcenie charakteryzuje wektor Burgersa.
(obszar  zajmowany  komórek  które  uległy  deformacji  –kierunek  prostopadły  do
płaszczyzny-zwrot  śruby  prawoskrętnej).  Pod  wpływem  natężenia  defekt  się
przesuwa.

b) Defekt liniowy struktury krystalicznej spowodowany przemieszczeniem części

kryształu  wokół  osi  zwanej  linią  dyslokacji  śrubowej.  Wektor  Brugersa  dyslokacji
śrubowej  jest  równoległy  do  jej  linii.  Wokół  dyslokacji  śrubowej  występuje  jedynie
postaciowe  odkształcenie  sieci  krystalicznej.  Dyslokacje  te  mogą  byś  prawo  i  lewo-
skrętne [rysunek z wykładu]

Strona 3 z 16

c) Dyslokacje o dowolnej orientacji wektora Burgersa wzglądem linii dyslokacji. Można

je traktować jak nałożenie się na siebie dyslokacji krawędziowej i śrubowej.

BŁĘDY UŁOŻENIA

W  metalach  o  sieci  A1  płaszczyzny  gęstego  ułożenia  atomów    są  usytuowane  w  kolejności
ABCABC  kolejne  płaszczyzny  ABC  spoczywają  na  sobie  przesunięte  względem  siebie.
Kolejność ułożenia tych płaszczyzn może lokalnie ulec zaburzeniu w wyniku którego nastąpi
sekwencja ABAB lub ACAC charakterystyczne dla metali sieci A3.

DEFEKTY ZŁOŻONE

a) Granice dużego kąta (kilkanaście-kilkadziesiąt)-zaburzenia na granicy ziaren
b) Granice małego kąta-granice bloków mozaikowych

2. Prawo Hoocka, na wykresie naprężenie-odkształcenie omówić jednoosiową
deformację.

Reakcją ciał stałych sprężystych na działającą siłę rządzi prawo Hooke`a, które mówi,
że:

Wydłużenie bądź skrócenie ciała stałego pod wpływem działającej siły jest:

Wprost proporcjonalne do wartości działającej na ciało siły i długości

początkowej ciała

Odwrotnie proporcjonalne do pola przekroju

Zależne od rodzaju substancji, z której ciało zostało wykonane

K = 1/E ,gdzie E- moduł Younga, wielkość stabelaryzowana zależna od rodzaju materiału

Strona 4 z 16

Prawo Hooke`a dla rozciągania (lub ściskania) może być też zapisane w postaci
funkcji:

Charakteryzuje stan naprężeń i odkształceń w rozciąganej próbce w sposób niezależny
od jej kształtu.

Zależność naprężenie-odkształcenie, typowa dla większości metali.

Wartość modułu Younga określić też można, jako naprężenie, przy którym długość
rozciągania ulega podwojeniu

Na krzywej zależności  σ (c) odcinek liniowy kończy się na tzw. granicy proporcjonalności
(punkt A).  Po przekroczeniu granicy plastyczności (punkt B) rozpoczyna się nieodwracalne
odkształcenie  materiału.  Wreszcie  po  przekroczeniu  maksymalnego  naprężenia  (punkt  C)
materiał

ulega

zerwaniu

(punkt

W przypadku materiałów określonych jako kruche przebieg rozciągania jest prostszy-prawo
Hooke`a obowiązuje do określonego naprężenie, po przekroczeniu którego materiał pęka.

3. Rekrystalizacja i jej techniczne znaczenie (kucie podków)

ZDROWIENIE

REKRYSTALIZACJA
PIERWOTNA

ROZROST ZIARN

REKRYSTALIZACJA
WTÓRNA

Strona 5 z 16

Rekrystalizacja  jest  podstawowym  procesem  stosowanym  do  modyfikacji  własności
materiałów  metalicznych  po  uprzednim  odkształceniu  plastycznym.  To  ostatnie
przeprowadzane  jest  w  celu  zmiany  kształtu  ciała,  ale  powoduje  poważną  modyfikację
parametrów fizycznych charakteryzujących materiał.

Rekrystalizacja  prowadzi  do  drastycznej  redukcji  gęstości  defektów,  do  powstania
regularnych dużych ziaren a także nowej charakterystycznej tekstury krystalograficznej. Istotą
procesu  jest  pojawienie  się  zarodków  nowych  ziaren  w  obrębie  odkształconej  osnowy
(materiału po odkształceniu). Zarodki te szybko rozrastają się dając początek nowym ziarnom
i pochłaniają otaczający je odkształcony materiał. Nowe ziarna posiadają te samą strukturę co
stare.

Całość zjawisk zachodzących podczas nagrzewania zgniecionego metalu dzieli się tradycyjnie
na trzy etapy:

a)  Zdrowienie i poligonizacja
b)  Rekrystalizacja pierwotna
c)  Rozrost ziaren

Nie istnieją wyraźne granice pomiędzy poszczególnymi etapami procesu rekrystalizacji,
przemiany zachodzą w sposób ciągły.

a) Zdrowienie- Przy nagrzaniu metalu do niewysokich temperatur zachodzą procesy

związane  ze  zmniejszeniem  gęstości  defektów  punktowych  oraz  gęstości  dyslokacji
przy  zmianie  w  ich  przestrzennym  rozmieszczeniu.    Procesy  te  idą  w  kierunku
zmniejszenia energii wewnętrznej metalu i uzyskaniu stanu bliższego równowagi.  W
wyniku  zdrowienia  właściwości  mechaniczne  metalu  zmieniają  się  jedynie
nieznacznie;  wytrzymałość  na  rozciąganie  i  twardość  nieco  się  zmniejszają  a
plastyczność  wzrasta;  znaczniejszym  zmianą  podlegają  właściwości  chemiczne  i
fizyczne

Poligonizacja-  w  nieco  wyższych  temperaturach  następuje  ten  proces.  Dyslokacje,
które  w  zgniecionym  metalu  rozmieszczone  są  w  sposób  nieuporządkowany  ulegają
spiętrzeniu  w  ten  sposób  powstają    granice  podziaren  (bloków)  tj.  obszarów  o
nieznacznie  różniącej  się  orientacji  krystalograficznej.  Zjawisko  to  prowadzi  do
zmniejszenia energii wewnętrznej metalu.
Jeśli  stopień  uprzedniego  zgniotu  nie  był  wielki,  zdrowienie  i  poligonizacja  mogą
wytworzyć strukturę trwałą w nawet dość wysokich temperaturach.

b) Rekrystalizacja pierwotna- Przywrócenie zgniecionemu metalowi prawidłowej

struktury  krystalicznej  oraz  właściwości,  które  on  miał  przed  przeróbką  plastyczną,
następuje  po  nagrzaniu  go  powyżej  określonej  temperatury,  zwanej  temperaturą
rekrystalizacji. Nagła zmiana twardości określa właśnie temperaturę rekrystalizacji. W
tej temperaturze w miejscu odkształconych ziaren krystalicznych  z zaburzoną siecią
przestrzenną  powstają  nowe  ziarna  krystaliczne  o  prawidłowej  strukturze  sieciowej.

Strona 6 z 16

Kinetyka procesu rekrystalizacji polega, podobnie jak przy innych procesach
krystalizacyjnych, na tworzeniu się zarodków i ich dalszym rozroście.

c) Rozrost ziaren- zrekrystalizowane ziarna rozrastają się; proces ten przebiega

samorzutnie,  w  skutek  naturalnego  dążenia  układu  do  zmniejszania  zasobu  swej
energii  wewnętrznej.  Duże  ziarna  rozrastają  się  kosztem  ziaren  drobnych,  aż  do
zupełnego zaniku tych ostatnich- struktura stopów jednofazowych będzie się wówczas
składała niemal w całości z dużych ziaren.
Rozrost ziaren:

d) Rekrystalizacja wtórna -niekiedy w czasie nagrzewania w temperaturach znacznie

przewyższających temperaturę rekrystalizacji , zachodzić może anormalny rozrost
ziaren. Polega ona na szybkim rozroście niektórych ziaren kosztem ziaren drobnych.
Ziarna wtórne w krótkim czasie osiągnąć mogą bardzo duże wymiary.

Ryz. Zmiana właściwości metalu w procesie rekrystalizacji

TEMPERATURA REKRYSTALIZACJI ZALEŻY OD:

-Stopnia deformacji plastycznej (im większy zgniot tym temperatura niższa)
- czystości metalu (im czystszy tym niższa)
- wielkość ziaren (im drobniejsze tym niższa)
-czasu trwania nagrzewania (im dłużej tym niższa)

ZMIANA WŁASNOŚCI PO REKRYSTALIZACJI:

-wytrzymałość mechaniczna , granica plastyczności, twardość, udarność, opór
elektryczny- maleją
-wydłużenie, przewężenie, ciężar właściwy- wzrastają

Strona 7 z 16

TECHNICZNE ZNACZENIE PROCESU REKRYSTALIZACJI

-wytwarzanie rur, blach, prętów, drutów, kształtowników

-usuwanie całkowite lub czesiowe skutków zgniotu

-procesy nadające pożądaną twardość

- otrzymywanie pojedynczych kryształów o dużych wymiarach

4. Hartowanie i metody pomiaru hartowności

HARTOWANIE- jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu elementu do temperatury
30-50

C powyżej A

-A

wygrzania w tej temperaturze następnym dostatecznie szybkim

oziębieniem, w celu otrzymania struktury martenzytyczniej lub bainitycznej, a przez to
zwiększenia twardości stali.

Na zabieg hartowania składają się więc kolejno po sobie następujące czynności:

1) Nagrzanie stali do stanu austenitycznego i wygrzanie w tej temperaturze

(austenityzowanie)

2) Szybkie chłodzenie (oziębianie)

Wysokość temperatur nagrzania przy hartowaniu zależy od składu chemicznego stali a
zwłaszcza od zawartości węgla. Czas wygrzania przy hartowaniu musi być dostatecznie długi,
aby przemiany fazowe nastąpiły w całym przekroju obrabialnych cieplnie elementów. W
praktyce jest to ok. 30% czasu nagrzewania. Szybkie chłodzenie przy hartowaniu
(oziębienie) ma na celu przechłodzenie austenitu do zakresu przemian temperatur
martenztycznej, w którym to zakresie temperatur austenit ulega przemianie na martenzyt.
Zastosowana szybkość chłodzenia musi być większa od szybkości krytycznej dla danego
gatunku stali. Podstawową zasadą przy doborze ośrodka chłodzącego jest unikanie szybszego
niż to konieczne chłodzenia, gdyż ze wzrostem szybkości chłodzenia powstają większe
naprężenia i wzrasta w związku z tym tendencja do odkształceń i pęknięć.

PARAMETRY HARTOWANIA

Temperatura-zależy od zawartości procentowej węgla
Czas wygrzewania- Tw= tj *g*k gdzie:

Strona 8 z 16

tj - jednostkowy czas wygrzewania
g - grubość przedmiotu
k - współczynnik ułożenia przedmiotu

Atmosfera CO

/ CO H

O/H

(nie zachodzi ani nawęglanie ani utlenianie)

Kąpiel chłodząca-zależy od gatunku stali i wielkości przedmiotu (woda, solanka, olej
[stale stopowe] powietrze [metale niskostopowe])

Dodatki- wszystkie dodatki stopowe (za wyjątkiem kobaltu) zwiększają hartowność

stali [przesunięcie wykresu CTP w prawo]

HARTOWNOŚĆ- nazywamy zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej podczas
hartowania. Określa się ją na podstawie pomiaru grubości warstwy martenzytycznej na
przekroju hartowanego przedmiotu. Poszczególne gatunki stali hartują się na różną
głębokość. Głębokość zahartowania jest związana bezpośrednio z krytyczną szybkością
chłodzenia, szybkość chłodzenia jest największa na powierzchni hartowanego elementu i
maleje w kierunku rdzenia, osiągając minimum w osi pręta.

WPŁYW CZYNNIKÓW NA HARTOWNOŚĆ-

Wielkość ziaren austenitu – im grubsze ziarno tym większa hartowność

Jednorodność ziarn austenitu- większa jednorodność-większa hartowność

Wtrącenia niemetaliczne (wągliki, azotki) –ich obecność zmniejsza hartowność

Dodatki stopowe –wszystkie za wyjątkiem kobaltu zwiększają hartowność

Intensywność chłodzenia- intensywne chłodzenie poprawia hartowność

METODY BADANIA HARTOWNOŚCI

Badanie hartowności na przełomie- stosowane do węglowych stali narzędziowych o
małej głębokości hartowania. Polega ona na obserwacji przełomu zahartowanej
próbki. Na przełomie takim strefa zahartowana jest matowa, jedwabista i łatwo można
ją odróżnić od niezahartowanego rdzenie, który ma budowę gruboziarnistą i jest
błyszczący. W ten sposób można ustalić grubość warstwy zahartowanej.

Metoda Grossmanna- polega ona na hartowaniu w wodzie lub oleju cylindrycznych

próbek o różnych średnicach. Próbki te następnie przecinano i dokonywano pomiaru
twardości w ich poprzecznym przekroju wzdłuż średnicy.

Próba chłodzenia czołowego (Próba Jominy`ego) –najczęściej określanie hartowności
stali konstrukcyjnej. Polega ona na tym, że cylindryczną próbkę, nagrzewa się do
temp. hartowania a następnie chłodzi w specjalnym urządzeniu. Pod bezpośrednim
natryskiem wody pozostaje tylko powierzchnia czołowa próbki i ona chłodzona jest
najbardziej intensywnie (im dalej od czoła próbki tym chłodzenie wolniejsze). Po
ostygnięciu i wyjęciu z urządzenia hartowniczego próbkę szlifuje się wzdłuż dwu
przeciwległych tworzących, a na oszlifowanych powierzchniach dokonuje się pomiaru
twardości aparatem Rockwella.

Strona 9 z 16

RODZAJE HARTOWANIA

  Hartowanie stopowe
  Hartowanie izotermiczne na bainit
  Hartowanie miejscowe
  Hartowanie powierzchniowe

5. Porównanie nawęglania z azotowaniem

NAWĘGLANIE

AZOTOWANIE

Zakres
temperatur

900-950

480-540

Czas trwania

Zależy od głębokości nawet od
kilku do kilkunastu godzin

-krótkookresowe (od kilku do
kilkunastu godzin)
-długookresowe (kilkadziesiąt
godzin)

Zasięg

Zawartość ok. 0,8-0,9% węgla

Warstwa

Grubość warstwy nawęglania
0,5-2 mm

Struktura warstw wierzchnich w
przypadku stałej temp. obrabialnej
Sali zależy od operacji. Największa
odporność na ścieranie gdy grubość
0,020-0,025 mm

Twardość

Stali węglowej nawęglonej i
chłodzonej w powietrzu ok. 250-
300 HB

dochodzi do 1100 HV

Struktura
warstwy

-nadeutektoidalna - struktura perlitu
z cementytem (w niektórych
przypadkach występuje jako
szkodliwa siatka na granicy ziaren
perlitu)
-eutektoidalną-o strukturze
perlityczniej
- podeutektoidalna - perlityczno
ferrytyczna struktura

W stalach stopowych występują
ponadto węgliki stopowe

Azotowanie długookresowe-ciągła
strefa azotków typu ε w stali
węglowej Fe

2-3

N a często

węglikoazotków. W sprzyjających
warunkach pod strefą ε tworzy się
strefa azotków γ
W stalach stopowych w strefie
wewnętrznej występuję ponadto
bardzo drobne azotki i
węglikoazotki, których struktura
zależy od stężenia azotu i
pierwiastków stopowych.

Ośrodki stałe

-odbywa się w proszku węgla
drzewnego, często wymieszanego
ze sproszkowanymi węglanami
sodu wapnia litu i baru (900

-pasty zawierające 50% sadzy 20%
BaCO

20% Na

10%

żelazocyjanku potasu

Azotowanie w proszkach- bardzo
rzadkie ( 80% CaC(CN) i 15%
Na

3% żelazomanganianu i

2% SiC)
Temp. 500-600

0,5-10 h

Roztopione
sole

Zwykle mieszaniny węglanów,
chlorków lub cyjanków metali
alkalicznych zaw. np.: 47,5%
węglanu sodu 47,5% chlorku
potasu i 5% węglika wapnia

Temp. 830-850

Gazowe

920

W atmosferze tlenku węgla metody
otrzymywania ośrodka nawęglania

Strumień zdysocjowanego
amoniaku w temp 500-600

2NH

 3H

+2N

Strona 10 z 16

polegają na :
-Otrzymywaniu tlenku węgla w
piecu:
*w wyniku spalania
węglowodorów w powietrzu
*wytwarzaniu atmosfery
nawęglającej z ciekłych związków
organicznych: nafty, metanolu,
acetonu (700

Zastosowanie

W procesach technologicznych, kół
zębatych, wałków zębatych,
wałków rozrządu, sworzni
tłokowych.

Elementy silników i pomp w
przemyśle lotniczym, okrętowym i
motoryzacyjnym; wały korbowe,
tuleje cylindrowe, koła zębate,
wałki, tłoki, pierścienie.

6.  Omówić  sposób  oznaczania  stali  (stal  zwykła,  konstrukcyjna  i  o  właściwościach
lepszych).

Stale dzielimy na:
-  węglowe  (konstrukcyjne  <  0,8  %  wag  C,  narzędziowe,  wysokowęglowe  i  o  szczególnych
właściwościach).
- stopowe – poza Fe i C oraz zwykłymi domieszkami (Mn,
Si,  P,  S,  Cu)  zawierają  inne  specjalnie  wprowadzone  składniki  (dodatki  stopowe)  lub
podwyższone zawartości Mn i Si, przy czym dodatki te są zawarte w ilościach większych niż
wynika to z technologii; (stale konstrukcyjne, narzędziowe i o szczególnych właściwościach);
stale stopowe są stosowane zwykle w stanie obrobionym cieplnie; są droższe od węglowych

Do  kryteriów,  na  których  oparta  jest  klasyfikacja  stali  stopowych  zaliczyć  można  ich  skład
chemiczny, to jest rodzaj i ilość dodatków stopowych, struktura w stanie wolno chłodzonym,
zastosowanie, jakość stali oraz metody jej otrzymywania. Najbardziej rozpowszechniony jest
podział  stali  ze  względu  na  zawarte  w  niej  dodatki  stopowe  (stale  chromowe,  manganowe,
chromowo-niklowe...), na ilości dodatków ( < 2% niskostopowe, 2,5 – 5 % średniostopowe, >
5  %  wysokostopowe),  na  zastosowanie  (konstrukcyjne  narzędziowe  i  o  specjalnych
własnościach).

Według  starych  zasad  oznaczania  stale  węglowe  konstrukcyjne  zwykłej  jakości  oznaczano
przy  użyciu  symbolu  „St”  lub  „MSt”,  następnie  podając  liczbową  wartość  odpowiadającą
zawartości węgla w stali (St5 – zawartość węgla 0,5%), natomiast symbol za cyfrą oznaczał
przeznaczenie stali (St3S – spawalna).
Stale  węglowe  konstrukcyjne  wyższej  jakości  oznaczało  się  podając  jedynie  liczbę
odpowiadającą zawartości węgla w stali (35 = 0,35% węgla).
Stale narzędziowe oznaczano  poprzez  podanie symbolu „N”, następnie  symbolu hartowania
(NC  –  głęboko  hartująca,  NE  –  płytko  hartująca)  oraz  na  końcu  podawano  cyfrę
odpowiadającą zawartości węgla w stopie (NC6 – 0,6% węgla).
Zasada  oznaczania  stali  stopowych  była  dokładnie  taka  sama  jak  węglowych  tylko,  że  po
oznaczeniach  dodawało  się  symbole  dodatków  stopowych,  a  za  nimi  liczbę  informującą  o
ilości zawartego dodatku w stali (32H2M – 0,32% węgla, 2% chromu, 1% molibdenu).

Nowa metoda polega na podaniu symbolu określającego zastosowanie stali (S- konstrukcyjne,
E – maszynowe itp.) oraz granicy plastyczności stali (S185 – granica plastyczności Re = 185),
stale niestopowe o szczególnych właściwościach (bez automatowych) oznacza się symbolem
„C” i liczbą oznaczającą ilość węgla (C35 – 0,35% węgla) , dodatkowo symbol „S” na końcu
oznacza stal sprężynową (C75S), a „U” narzędziową.

Strona 11 z 16

Natomiast w stalach stopowych z dodatkami i niektórych niestopowych stosuje się wartość
węgla w setnych częściach procenta oraz oznaczenia pierwiastków z układu okresowego wraz
z wartościami liczbowymi ilości danego dodatku (20MnCr5). W niektórych przypadkach stali
stopowych podaje się symbol „X”, następnie cyfrę oznaczająca zawartość węgla , a następnie
oznaczenia zawartości pierwiastków. Stale szybkotnące mają symbol „HS” i liczby
oznaczające ilości pierwiastków W, Mo, V, Co, oddzielone kreskami.

Przykładowe porównanie oznaczania stali starą i nową metodą:

Metoda

Stara

Nowa

Stal niestopowa konst. og.

przeznaczania

St0S
St3S
St4S

MSt5
MSt6

S185

S235IR

S257JO

E295
E335

Niestopowe jakościowe do

ulepszenia cieplnego

10
15
25
35

C10E
C15E

C25
C35

Niestopowe sprężynowe

67
75
85

C67S
C75S
C85S

Konstrukcyjne stopowe do

nawęglania

15H

16HG
20HG

17HNG

17Cr3

16MnCr5
20MnCr5

18CrNiMo-7-6

Stale kontr. Stopowe do

ulepszania cieplnego

25HM

30G2

30N

34NHM

25CrMo4

28Mn6

34Cr4

7. Omówić własności mechaniczne żeliwa szarego. Wykres Grinnera-Klingensteina i
właściwości (podłoże, sposób wydzielania grafitu)

Własności mechaniczne, żeliwa szarego:
- pochłania drgania tym lepiej im grubszy jest grafit płatkowy
- jest odporne na ścieranie ponieważ zawarty w nim grafit ma właściwości smarne,
dodatkowo pochłania smary
- zawarty w nim grafit powoduje kruchość i łamliwość wióra
- ma niską udarność
- eutektyka fosforowa powoduje poprawę sprężystości oraz odporności na ścieranie
Fe

C + Fe

P + Fe lub Fe

P + Fe

Do 0,3% fosforu (P) – wzrost twardości
>0,3% fosforu – wzrost twardości, obniżenie wytrzymałości na rozciąganie (Rm)
- siarka jest szkodliwa dla tego typu żeliwa

Strona 12 z 16

Wykres Greinera-Klingensteina:

Żeliwa szare mogą cechować się strukturą osnowy: ferrytyczną, ferrytyczno–perlityczną oraz
perlityczną.  W  strukturze  żeliwa  szarego,  poza  osnową  metaliczną  występuje  również:
wydzielony (grafityzacja) grafit płatkowy, eutektyka fosforowa oraz wtrącenia niemetaliczne.
Najtrwalsze żeliwo szare to takie, w którym największy udział w strukturze ma perlit.

8.  Sposoby  otrzymywania  żeliwa  czarnego  ciągliwego  i  jego  własności  (porównać  z
żeliwem szarym)

Materiałem wyjściowym dla żeliwa czarnego ciągliwego jest żeliwo białe, które poddaje się
procesowi  wyżarzania  grafityzującego,  kiedy  to  cementyt  ulegając  rozpadowi  powoduje
wydzielenie się grafitu żarzenia w postaci kłaczkowatych aglomeratów:
Fe

C -> 3Fe + C (węgiel żarzenia – grafit żarzenia)

W praktyce żeliwo ciągliwe czarne otrzymuje się poprzez:

1. Wykonanie odlewów z żeliwa białego
2. Wyżarzanie odlewów:

a) starą metodą – odlewy ładuje się do skrzyń, obsypuje piaskiem, oblepia się gumą i

ładuje do pieca

b) nową metodą – odlewy ładuje się do pieca z kontrolowaną atmosferą (CO/CO

O/H

)

Proces grafityzacji – rozpoczyna się od tworzenia zarodków grafitu, do którego dyfunduje
węgiel rozpuszczony w austenicie, narastając w miarę wydzielania się na zarodkach.
Zubożały w węgiel austenit rozpuszcza nowe ilości Fe

C (cementytu).

Uplastycznienie żeliwa uzyskuje się dzięki właściwościom podłoża (ferryt, perlit) i kulowym
wydzieleniom grafitu.

Rys. Żeliwo czarne ciągliwe o podłożu ferrytycznym

Żeliwo szare o

podłożu

perlitycznym

Strona 13 z 16

Żeliwo ciągliwe czarne o podłożu:
- ferrytycznym – ma wytrzymałość zbliżoną do ferrytu, „”nie puchnie”, brak cementytu
- perlitycznym – wytrzymałość zbliżona do perlitu, daje się obrabiać cieplnie (hartowanie i
odpuszczanie)
Żeliwo szare

Żeliwo czarne ciągliwe

- kruchość i łamliwość wióra
- dobra skrawalność
- odporne na ścieranie
- niska udarność

- wysoka wytrzymałość, nie jest kruche
- odporne na uderzenia
- dobra skrawalność
- odporne na korozję
- tanie

9.  Sposób  otrzymywania  żeliwa  sferoidalnego  i  jego  własności  (porównać  z  żeliwem
szarym)

Żeliwo  sferoidalne  jest  żeliwem  wysokojakościowym.  Materiałem  wyjściowym  do  jego
produkcji  jest  żeliwo  szare  o  zawartości  siarki  <  0,002%.  Przed  modyfikacją  przeprowadza
się odsiarczanie manganem (MnS spływa do żużla). Jego produkcja polega na dwuetapowej
modyfikacji:

1. Wprowadza się magnez (ewentualnie 20% Mg+Cu+Ni). Mg powoduje obniżenie

napięcia powierzchniowego, co powoduje, że grafit zwija się w kulki.

2. Następnie wprowadza się FeSi, który powoduje rozdrobnienie ziaren.

Żeliwo szare

Żeliwo sferoidalne

- kruchość i łamliwość wióra
- dobra skrawalność
- odporne na ścieranie
- niska udarność

- wysoka udarność, plastyczność
- duża wytrzymałość (zbliżona do stali)
- odporne na wysokie ciśnienia

10. Stopy miedzi z cynkiem (mosiądze, klasyfikacja i właściwości)

Miedź  –  metal  o  cennych  właściwościach,  barwy  czerwonej,  bardzo  miękki,  o  niskiej
wytrzymałości  na  rozciąganie,  o  bardzo  dobrych  własnościach  plastycznych;  można  ją
umocnić tylko na drodze obróbki plastycznej na zimno; ma wysokie przewodnictwo cieplne i
elektryczne;  stosunkowo  dużą  odporność  na  korozję  (  w  wilgotnym  powietrzu  pokrywa  się
warstewka zasadowego węglanu miedzi – patyną, chroniącą ją przed dalszą korozja o ile nie
ma  w  atmosferze  dwutlenku  siarki);  rozpuszczalnikiem  Cu  jest  kwas  azotowy,  zwłaszcza
stężony; przy nagrzewaniu w atmosferze zawierającej wodór ulega „chorobie wodorowej”

Stopy miedzi:
Mosiądze – stopy miedzi, w których głównym składnikiem stopowym jest cynk
Brązy  –  stopy  miedzi,  w  których  głównym  składnikiem  stopowym  jest  jakiś  inny  poza
cynkiem  pierwiastek,  znamy  brązy  cynowe,  aluminiowe,  niklowe,  ołowiowe,  manganowe,
krzemowe i berylowe

Mosiądze  należą  do  najbardziej  rozpowszechnionych  stopów  miedzi,  dzięki  swoim  dobrym
własnościom użytkowym i technologicznym oraz niskiej cenie. Zawartość Zn w praktycznie
stosowanych mosiądzach nie przekracza 45 %, gdyż stopy o wyższej zawartości Zn są bardzo
kruche.

Strona 14 z 16

Układ równowagi fazowej miedź – cynk

2 -

’

3 -

4 -

’

5 -
6 -

Faza

to roztwór cynku w miedzi, roztwór

podstawowy, jednofazowy, materiał plastyczny

Fazy

’ to fazy międzymetaliczne, kruche, przy czym to roztwór nieuporządkowany

’ uporządkowany.

to roztwór podstawowy Cu w Zn, stały.

Wpływ zawartości Zn na własności mechaniczne mosiądzu ( oś y to wytrzymałość na

rozciąganie R

w kG/mm

i wydłużenie względne A

w %)

mosiądze :
1) 20% Zn – tombaki (złoty kolor)
2) mosiądze   - o jednorodnej strukturze roztworu stałego zawierające do 39% Zn
3) mosiądze dwufazowe    +   i   +  ’zawierające 39 – 45 % Zn

Korozja mosiądzu:
-  Sezonowe  pękanie  (podlegają  mu  elementy  posiadające  wewnętrzne  naprężenia
rozciągające); 4 h wyżarzania w temp 250 stopni C; groźne są naprężenia w strefie sprężystej
a nie plastycznej

- odcynkowanie mosiądzu tylko w stopie

; zachodzi w obecności niektórych

elektrolitów w szczególności zawierających aniony Cl; tworzy się gąbczasta struktura miedzi
- w mosiądzach wieloskładnikowych korozji podlegają granice ziaren

Strona 15 z 16

11. Metale szlachetne, stopy metali szlachetnych, klasyfikacja.

Do  metali  szlachetnych  zaliczamy  złoto,  srebro,  platynę  oraz  ich  stopy.  Są  one  bardzo
odporne  na  korozję  w  warunkach  atmosferycznych,  w  wodzie  a  także  w  licznych  innych
środowiskach.  Mają  niskie  własności  wytrzymałościowe  przy  bardzo  dobrych  własnościach
plastycznych.
Au – odporne na większość kwasów i zasad, wykonuje się z niego urządzenia laboratoryjne,
oraz do złocenia chemicznego i galwanicznego.
Ag  –  szczególnie  duża  odporność  na  działanie  silnych  zasad,  jest  słabo  rozpuszczalne  z
kwasach organicznych,  wykorzystuje się je do srebrzenia  chemicznego i galwanicznego, na
przewody w urządzeniach elektrycznych (duże przewodnictwo elektryczne) oraz na aparaturę
w przemyśle chemicznym, czyste srebro ma właściwości bakteriobójcze.
Pt  –  duża  odporność  na  działanie  wielu  czynników  chemicznych,  rozpuszcza  się  jedynie  na
gorąco w wodzie królewskiej, czysta Pt jest stosowana w przemyśle chemicznym  z uwagi na
odporność  na  korozję  oraz  na  działanie  katalityczne  w  wielu  procesach  chemicznych,  jest
stosowana również na sprzęt laboratoryjny w postaci siatek, tygli, parownic, łódeczek itp.
Au i Ag stosuje się w jubilerstwie i w dentystyce w postaci stopów.
Głównym  składnikiem  stopów  złota  są  miedź  i  srebro.  Taki  skład  zapewnia  odpowiednia
twardość i odporność na korozję. Prawnie ustalone składy procentowe prób złota:
Pierwsza próba – 96% Au (miękkie, łatwo się ścierają)
Druga próba – 75% Au
Trzecia próba – 58,3% Au (najwyższa twardość i odporność na ścieranie, brzydkie czerwone
zabarwienie ze względu, na że Cu w tym stopie jest objętościowo znacznie więcej niż Au)
Głównymi składnikami stopów srebra jest miedź i cynk. Prawnie ustalone stopy tego metalu:
Pierwsza próba – 94 % Ag (niska twardość)
Druga próba – 87,5% Au
Trzecia próba - 80% Au
Praktyczne  zastosowanie  mają  stopy  próby  2  i  3  o  wyższych  własnościach  mechanicznych,
lecz  nieco  brzydkim  żółtawym  zabarwieniu.  Znalazły  one  zastosowanie  jako  wyroby
artystyczne, naczynia stołowe i galanteria. Duże znaczenie mają stopy srebra jako luty twarde.
Patyna  i  jej  stopy  stosowane  są  głównie  dla  celów  przemysłowych.  Największe  znaczenie
mają stopy platyny z irydem osiągające twardość HB=265 przy 40% irydu (zastosowanie w
przemyśle  elektro  technicznym,  elektrochemicznym,  medycznym  i  jubilerstwie).  Stopy
platyny z rodem służą jako katalizatory oraz w postaci drutów do wyrobu termopar.

12. Szkło metaliczne, właściwości, metody otrzymywania

materiały będące produktem przechłodzenia cieczy z pominięciem procesu krystalizacji, aż do
powstania  ciała  stałego  o  nieuporządkowanej  strukturze  atomowej  podobnej  do  struktury
cieczy. Pierwszy materiał tego typu został wyprodukowany w Kalifornii i był to stop złota z
krzemem.
Metody otrzymywania:

1) Metoda natryskiwania ciekłego metali na nośniku gazu obojętnego na metaliczne

podłoże.

2)  Napylenie ciekłego metalu na dyspersyjny proszek.
3)  Metoda młota i kowadła (krople metalu rozbija się młotem ?).
4)  Metoda ciągłego odlewania (leje się na bęben ?).

Podatność na zeszklenie:

- temp zeszklenia;

- temp topnienia

ok 0,25 to można przeprowadzić materiał w stan szkła metalicznego