(Microsoft Word - Burzy\361ska_Materia\263y

Spis treści

Wstęp...................................................................... 5

Wprowadzenie........................................................ 6

1. Wiązania między atomami................................. 9

2. Budowa metali i ich stopów ............................ 13

2.1. Struktura krystaliczna metali ...................................................... 14
2.2. Defekty budowy krystalicznej .................................................... 21
2.3. Struktura stopów metali.............................................................. 28

3. Właściwości mechaniczne materiałów

konstrukcyjnych .............................................. 33

3.1. Gęstość ....................................................................................... 34
3.2. Sztywność - spręŜystość ............................................................. 35
3.3. Wytrzymałość statyczna ............................................................. 39
3.4. Wytrzymałość zmęczeniowa ...................................................... 42
3.5. Twardość .................................................................................... 44
3.6. Wiązkość .................................................................................... 46
3.7. Kruchość i ścieralność ................................................................ 48

4. Metody umacniania materiałów plastycznych 51

4.1. Umocnienie roztworowe............................................................. 53
4.2.

Umocnienie wydzieleniowe

................................................... 54

4.3. Umocnienie przez rozdrobnienie ziarn....................................... 56
4.4. Umocnienie odkształceniowe ..................................................... 57
4.5. Uwagi o spiętrzeniu napręŜeń..................................................... 58
4.6. Zdrowienie i rekrystalizacja ....................................................... 35

5. Układy równowagi fazowej ............................. 63

5.1. Reguła faz Gibbsa....................................................................... 64
5.2. Dwuskładnikowe układy równowagi ......................................... 66

5.3. Mechanizm i kinetyka przemian fazowych ................................ 77

6. Stopy Ŝelazo – węgiel ...................................... 83

6.1. Układ równowagi Ŝelazo – węgiel.............................................. 84
6.2. Przemiany w stopach Ŝelazo – węgiel ........................................ 93

7. Wpływ węgla i dodatków stopowych

na strukturę i właściwości stopów
układu Fe-C.................................................... 101

8. Obróbka cieplna stopów układu Fe-C............ 117

9. Kształtowanie właściwości warstw

powierzchniowych tworzyw metalowych ..... 129

10. Przemysłowe stopy Ŝelaza ........................... 147

10.1. Klasyfikacja stali .................................................................... 148
10.2. Oznakowanie stali .................................................................. 152
10.3. Przykładowe stale przemysłowe............................................. 160

11. Stopy metali nieŜelaznych............................ 175

11.1. Aluminium i jego stopy .......................................................... 176
11.2. Miedź i jej stopy ..................................................................... 187

12. Tworzywa ceramiczne .................................. 195

13. Polimery ....................................................... 211

14. Kompozyty.................................................... 227

15. Literatura...................................................... 247

Wstęp

Niniejsze  materiały  zostały  opracowane  w  ramach  realizacji  Programu
Rozwojowego  Politechniki  Warszawskiej  współfinansowanego  przez
Unię  Europejską  w  ramach  Europejskiego  Funduszu  Społecznego  –
PROGRAM  OPERACYJNY  KAPITAŁ  LUDZKI.  Przeznaczone  są  dla
studentów  kierunku  „Edukacja  techniczno-informatyczna”  na  Wydziale
Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej.

Swoim zakresem obejmują zagadnienia określone w programie studiów
dla przedmiotu ogólnego pt. „Materiały konstrukcyjne” opisanym w sy-
labusie opracowanym dla tego przedmiotu. Zawartość merytoryczna pro-
gramu przedmiotu spełnia wymagania określone w standardach kształce-
nia Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa WyŜszego dla kierunku „Edukacja
techniczno-informatyczna”.

W szczególności w rozdziałach 1 i 2 przedstawiono zagadnienia związa-
ne  z  budową  metali  i  ich  stopów.  Rozdział  3  zawiera  informacje  doty-
czące  stałych  materiałowych  określających  właściwości  mechaniczne
materiałów konstrukcyjnych oraz metod ich wyznaczania. W rozdziałach
5 i 6 omówiono waŜniejsze typy układów równowagi oraz mechanizmy
przemian  fazowych  zachodzących  w  stopach  metali.  Rozdziały  3,  7  i  8
zawierają  informacje  dotyczące  kształtowania  właściwości  stopów  me-
tali.

Z kolei w rozdziałach 9 i 10 przedstawiono sposoby oznakowania,

właściwości  i  zastosowania  przemysłowych  stopów  Ŝelaza,  aluminium
i miedzi.  Kolejne  rozdziały  zawierają  charakterystykę  podstawowych
tworzyw  niemetalowych  odpowiednio  rozdział  11  –  tworzyw  ceramicz-
nych, 12 – polimerów, 13 – kompozytów.

Wprowadzenie

Materiałami  nazywamy  te  wszystkie  substancje  w  stanie  stałym,  z  któ-
rych wykonuje się złoŜone produkty (przedmioty). Są one jednym z pod-
stawowych  cywilizacyjnych  bogactw  ludzkości.  Rozwój  materiałów
w duŜej  mierze  decydował  i  nadal  decyduje  o  rozwoju  naszej  cywiliza-
cji.  Potwierdzeniem  tego  są  nazwy  epok  historycznych  utworzone  od
nazw ówcześnie stosowanych materiałów np. epoka kamienia, brązu, Ŝe-
laza. Rodzaj uŜytego materiału wpływał na funkcje uŜytkowe wytwarza-
nych  przedmiotów  (narzędzi,  broni  itp.),  a  tym  samy  na  warunki  Ŝycia
i jego  rozwój.  Zawansowane  materiały  pozwalały  na  realizację  najbar-
dziej śmiałych pomysłów związanych choćby z chęcią opanowania prze-
stworzy.  Rozwój  lekkich  stopów  aluminium  i  ich  technologii  przetwa-
rzania  umoŜliwił  wprowadzenie  nowych  konstrukcji  na  poszycia  samo-
lotów,  a  opracowanie  Ŝarowytrzymałych  stopów  na  bazie  niklu  umoŜli-
wiło  wyprodukowanie  silników  odrzutowych  o  odpowiedniej  trwałości.
Gdyby  nie  materiały  nowej  generacji  nadal  na  naszych  półkach  stałyby
lampowe odbiornik radiowe, a rozwój komputerów osobistych nie były-
by moŜliwy. Szczególne znaczenie materiałów wynika z faktu, Ŝe zwięk-
szają  one  dostęp  człowieka  do  energii  i  informacji.  Niestety  obecnie
zafascynowani  funkcjami  uŜytkowymi  produkowanych  urządzeń  często
zapominamy,  Ŝe  jednym  z  podstawowych  czynników  postępu  jest
rozwój materiałów.

Na  przestrzeni  kilkudziesięciu  ostatnich  lat  nastąpił  gwałtowny  rozwój
w dziedzinie  materiałów.  Ogromna  liczba  współcześnie  stosowanych
materiałów konstrukcyjnych stawia nowe wymagania przed inŜynierami.
Muszą oni znać  całe spektrum  materiałów oraz ich potencjalne zastoso-
wania,  aby  w  sposób  optymalny,  wykorzystać  je  w  konstrukcjach.  Za-
projektowana,  a  następnie  wykonana  konstrukcja  powinna  odpowiadać
wymaganiom eksploatacyjnym, ekonomicznym i technologicznym. Kon-
struktor wykonując projekt powinien dokonać pełnej analizy materiałów,
biorąc pod uwagę ich własności mechaniczne, cenę oraz cechy technolo-
giczne.  Dlatego  teŜ  do  prawidłowego doboru materiałów konieczne jest
poznanie  i  zrozumienie:  metod  kształtowania  właściwości  materiałów,
podstawach stałych materiałowych określających ich cechy, zmian właś-
ciwości  zachodzących  w  wyniku  kształtowania,  łączenia  i  obróbki  koń-
cowej materiału oraz ograniczeń w ich stosowaniu.

Podstawowa klasyfikacja, (rysunek 0.1) współczesnych materiałów
oparta jest na charakterze dominującego wiązania między atomami lub
cząstkami, zgodnie z którym dzielą się one na:

OZDZIAŁ

Strona

1.1. Wiązania między atomami

Wytrzymałość materiałów konstrukcyjnych zaleŜna jest od wielkości sił
utrzymujących atomy razem, czyli od rodzaju wiązań międzyatomowych
oraz sposobu rozmieszczenia atomów w przestrzeni.

Wiązania pierwotne

Do wiązań pierwotnych między atomami zaliczamy:

• wiązania kowalencyjne (atomowe),

• wiązania jonowe,

• wiązania metaliczne.

Wiązanie  kowalencyjne  –  Istotą  tego  wiązania  jest  uwspólnienie  elek-
tronów  walencyjnych  dla  obu  atomów  tworzących  to  wiązanie.  MoŜe
ono powstawać między atomami, w których powłoka walencyjna jest za-
pełniona  przynajmniej  w  połowie.  Są  one  wiązaniami  zorientowanymi,
co  powoduje,  Ŝe  kąty  między  nimi  zaleŜą  od  liczby  oraz  rodzaju
elektronów  tworzących  to  wiązanie.  Wiązanie  to  charakteryzuje  się
największą  sztywnością  i  występuje  w  diamencie  oraz  większości
materiałów ceramicznych, które są bardzo twarde i kruche.

Wiązanie jonowe – Istotą tego wiązania jest elektrostatyczne oddziały-
wanie  między  jonami  o  róŜnoimiennych  ładunkach,  dzięki  czemu  przy-
ciągają  się  one  elektrostatycznie  na  zasadzie sił Coulomba. Wiązanie to
powstaje między atomami, z których jeden ma niewielką liczbę elektro-
nów  walencyjnych  i  oddaje  je drugiemu, który ma powłokę walencyjną
prawie całkowicie zapełnioną. W wyniku tego powstają odpowiednio jon
dodani  i  ujemy.  Wiązanie  to  powstaje  najczęściej  między  metalem
a niemetalem.

Wiązanie metaliczne – istotą tego wiązania są elektrostatyczne przycią-
gania  między  jądrami  atomowymi  i  swobodnie  poruszającymi  się  elek-
tronami  pochodzącymi  z  zewnętrznych  powłok  elektronowych atomów.
Spójność  metalu  utrzymywana  jest  przez  siły  przyciągające  między  do-
datnimi  jonami  i  elektronami,  a  jony  utrzymywane  są  w  określonych
połoŜeniach  dzięki  występującym  między  nimi  siłom  odpychającym.

IĄZANIA MIĘDZY ATOMAMI

Strona

Wiązania metaliczne powstaje pomiędzy atomami metalu w stanie
stałym.

Wiązania wtórne

Do wiązań wtórnych zaliczamy:

• wiązania siłami van der Waalsa,

• wiązania wodorowe.

Wiązania  siłami  van  der  Waalsa  – Istotą tego  wiązania jest dipolowe
przyciąganie pomiędzy atomami lub cząsteczkami obojętnymi elektrycz-
nie. W wyniku ciągłego ruchu elektronów walencyjnych gęstość ładunku
ujemnego  na  zewnętrznej  powłoce  atomu  ulega  szybkim  fluktuacjom,
powodując  chwilowe  asymetryczne  rozkłady  ładunku  względem  jądra.
W wyniku tego powstaje szybkozmienny dipol, który indukuje podobny
moment  dipolowy  w  sąsiednim  atomie.  Dipole  przyciągają  się  zwięk-
szając,  w  miarę  zbliŜania  się,  wzajemną  polaryzację  elektronową.  Siły
van der  Waalsa  są  stosunkowo  słabe,  kilkanaście  razy  słabsze  od  sił
wiązań pierwotnych. Wiązania siłami van der Waalsa występują w poli-
merach, jako połączenia między łańcuchami.

Wiązania wodorowe – Istotą wiązania wodorowego jest oddziaływanie
między  spolaryzowanymi  cząsteczkami.  Jest  to  rodzaj  stosunkowo
słabego  wiązania  chemicznego  polegającego  głównie  na  przyciąganiu
elektrostatycznym  między  atomem  wodoru  i  atomem  elektroujemnym
zawierającym  wolne  pary  elektronowe.  Przykładem  takiego wiązania  są
wiązania  między  cząsteczkami  wody.  Elektroujemny  atom  tlenu    silnie
przyciąga  elektrony  wiązania,  co  powoduje,  Ŝe  atom  wodoru  uzyskuje
ładunek  dodatni.  Tak  przegrupowane  ładunki  prowadzą  do  powstania
momentu  dipolowego  w  kaŜdej  cząsteczce  wody,  co  z  kolei  powoduje
ich przyciąganie.

W materiałach odzwierciedleniem duŜych wartości sił międzyatomo-
wych w wiązaniach jest wysoka:

• temperatura topnienia,

• sztywność,

Sztywność – napręŜenie konieczne do uzyskania jednostkowego odkształcenia.

OZDZIAŁ

Strona

• spręŜystość,

• i twardość materiału.

Rodzaj materiału

Wiązania chemiczne

Ceramika

Kowalencyjne
i jonowe

Bardzo silne
Bardzo silne

Polimery

Kowalencyjne
i van der Waalsa

Bardzo silne
Bardzo słabe

Metale

Metaliczne

Silne

SpręŜystość – fizyczna właściwość ciał materialnych do odzyskiwania pierwotnego
kształtu i wymiarów po usunięciu sił zewnętrznych wywołujących odkształcenie
spręŜyste.

OZDZIAŁ

Strona

2.1. Struktura krystaliczna

metali

Materiały metaliczne

Jak  wspomniano,  metale  zbudowane  są  z  dodatnich  jonów  (rdzeni  ato-
mowych)  i  swobodnie  poruszających  się  elektronów.  Gaz  elektronowy
tworzy  rodzaj  „spoiwa”  przenikającego  przestrzeń  między  rdzeniami
atomowymi (jony dodatnie), które przez oddziaływanie elektrostatyczne
„wciąga" w siebie dodatnie jony, dąŜąc do jak najgęstszego wypełnienia
przestrzeni.

Wiązanie metaliczne:

• niekierunkowe gęste upakowanie atomów duŜa

gęstość

plastyczność,

• silne wiązanie duŜa wytrzymałość, twardość, wysoka

temperatura topnienia,

• gaz elektronowy ruchliwe elektrony duŜe przewodnic-

two elektryczne i cieplne
łatwość tworzenia kationów ŕ podatność na korozję.

Wynikiem działania sił międzyatomowych jest charakterystyczna krysta-
liczna struktura metali.

Rysunek 2.1. Struktura krystaliczna i amorficzna

UDOWA METALI I ICH STOPÓW

Strona

Kryształem jest fizycznie i chemicznie jednorodne i anizotropowe ciało
stałe o prawidłowo (okresowo) powtarzającym się w trzech wymiarach
rozmieszczeniu atomów, jonów lub cząsteczek, czyli ciało wykazujące
określony (tzw. translacyjny) porządek dalekiego zasięgu.

Metale  w  stanie  stałym  mają  budowę  krystaliczną,  która  charakteryzuje
się ściśle określonym rozmieszczeniem atomów w przestrzeni. PoniewaŜ
atomy  metali  w  stanie  stałym  dąŜą  do  jak  najgęstszego  zapełnia  prze-
strzeni,  liczba  wariantów  rozmieszczenia  atomów  jest  ograniczona.
Istnieją  dwa  sposoby  ułoŜenia  warstw  atomowych  tworzących  zwartą
strukturę krystaliczną:

Rysunek 2.2. UłoŜenie atomów w zwartych strukturach krystalicznych

(AB) i (ABC): a) pierwsza warstwa (A), b) druga warstwa (B) – atomy

ułoŜone w lukach warstwy pierwszej. c) trzecia warstwa atomów ma dwa

moŜliwe ułoŜenia atomów A – atomy trzeciej warstwy są nad atomami

pierwszej, co daje układ atomów (ABAB), C – atomy trzeciej warstwy

ułoŜone w lukach, co daje układ atomów (ABC)

Wiele spośród znanych powszechnie metali krystalizuje, tworząc struk-
tury zwarte ABC –Al, Cu, Ni, lub ABAB Mg, Zn i Ti.

KaŜdy metal krystalizuje w takim układzie atomów, który
zapewnia mu najmniejszą energię wewnętrzną.

Uporządkowanie  dalekiego  zasięgu  atomów  najłatwiej  przedstawić
w postaci  schematów  przestrzennych  zwanych  komórkami  elementar-
nymi sieci przestrzennej.

Sieć przestrzenna

• Węzeł i trzy wektory translacji tworzą sieć przestrzenną.

• Równoległościan mający te wektory za krawędzie jest naj-

mniejszym elementem tworzącym sieć przestrzenną – ko-
mórką elementarną sieci przestrzennej.

OZDZIAŁ

Strona

• Sieć przestrzenną moŜna otrzymać przez translację komórki

sieciowej dowolną liczbę razy w trzech kierunkach.

Wszystkie  moŜliwe  sieci  przestrzenne  określone  są  przez  siedem  ukła-
dów  współrzędnych  zwanych  układami  krystalograficznymi.  Jeśli
uwzględnimy  moŜliwe  centrowanie  komórki  elementarnej,  to  okazuje
się,  Ŝe  w  przestrzeni  trójwymiarowej  jest  moŜliwych  tylko  14  typów
(rodzajów) sieci przestrzennych zwanych sieciami Bravais’go, definiują-
cych  całkowicie  powtarzalność  charakterystycznych  cech  kryształu  bez
odnoszenia  się  do  szczegółów  struktury.  Najprostszym  typem  komórki
elementarnej  jest  komórka  regularna  prosta  przedstawiona  na  rysun-
ku 2.3,  której  wielkość  określa  parametr  sieci  (a).  Parametr  sieci  dla
kaŜdego metalu ma charakterystyczną, określoną wielkość.

Symbole węzłów

Dowolny węzeł sieci obieramy jako początek układu współrzędnych
(000).

Kierunki translacji, czyli kierunki trzech przecinających się krawędzi
komórki sieciowej, przyjmujemy za osie układu współrzędnych (XYZ).

PołoŜenie węzła znajdującego się w naroŜu komórki sieciowej określają
współrzędne x=ma, y = nb, z = pc.

a, b, c – odległości translacyjne w kierunkach osi współrzędnych,

m, n, p – liczby całkowite.

Większość metali odznacza się jedną z trzech struktur krystalograficz-
nych:

A1 (RSC) regularną ściennie centrowaną,

A2 (RPC) regularną przestrzennie centrowaną,

A3 (HZ) heksagonalną zwartą.

OZDZIAŁ

Strona

Sieć regularna przestrzennie centrowana A2 (RPC)

Rysunek 2.4. Układ atomów (a) i schemat (b) elementarnej komórki

regularnej przestrzennie centrowanej oraz c) parametry komórki

Sieć RPC występuje między innymi w takich metalach jak:

, Ti

, Zr

, W, Cr, Mo, V.

Sieć heksagonalna zwarta A3 (HZ)

Struktura zwarta tupu ABAB: l

= 12, l

= 12, W

= 74%

Rysunek 2.5. Układ atomów (a) i schemat (b) elementarnej komórki

heksagonalnej zwartej przestrzennie centrowanej

Sieć RSC występuje między innymi w takich metalach jak:

, Ni

, Co

, Zn, Mg, Be

UDOWA METALI I ICH STOPÓW

Strona

Sieć regularna ściennie centrowana A1 (RSC)

Struktura zwarta typu ABCABC

Rysunek 2.6. Układ atomów (a) i schemat (b) elementarnej komórki

regularnej ściennie centrowanej oraz c) parametry komórki.

Polimorfizm

Niektóre substancje, w tym równieŜ metale, zaleŜnie od temperatury
i ciśnienia występują w odmianach róŜniących się budową krystaliczną.
Zjawisko to nazywa się polimorfizmem

. Zasadniczym czynnikiem wy-

wołującym przemiany alotropowe jest zmiana temperatury.

• Ti

(HZ)

880°C Ti

(RPC)

• Zr

(HZ)

865°C -Zr

(RPC)

• Fe

(RPC)

910°C Fe

(RSC)

1400°C Fe

(RPC)

Z polimorfizmem związane jest prawo stałości typu i prawo polimorfii.

Polimorfizm – moŜliwość występowania tego samego pierwiastka w róŜnych sieciach

krystalograficznych, zwanych odmianami alotropowymi

OZDZIAŁ

Strona

Prawo  stałości  typu.  Substancje  zdefiniowane  pod  względem  fizycz-
nym  i  chemicznym  (o  tych  samych  właściwościach  i  składzie  chemicz-
nym)  mają  zawsze  ten  sam  typ  sieci  niezaleŜnie  od  pochodzenia  czy
sposobu otrzymywania.

Prawo polimorfii. Substancje o tym samym składzie chemicznym, lecz
wykazujące róŜnice właściwości fizycznych, mają zawsze odmienne
struktury.

Wynika  z  tego,  Ŝe  zmiana  ułoŜenia  atomów  w  sieci  krystalicznej,  skut-
kuje  zmianą  mechanicznych  (wytrzymałość,  plastyczność,  twardość),
fizycznych  (przewodność  elektryczna)  i  chemicznych  (odporność  na
korozję) właściwości metalu.

Anizotropia

Właściwości  pojedynczych  kryształów  zmieniają  się  w  zaleŜności  od
kierunku badania. Zmiana właściwości kryształu w zaleŜności od kierun-
ku krystalograficznego wiąŜe się z róŜną gęstością ułoŜenia atomów we
wszystkich  płaszczyznach  i  kierunkach  sieci  krystalicznej.  Zjawisko  to
nosi  nazwę  anizotropii.  Przykładowo  wg  [1]  monokryształ  Ŝelaza  a
o strukturze  RPC  charakteryzuje  się  wartością  współczynnika  sprę-
Ŝ

ystości wzdłuŜnej (stała materiałowa określająca sztywność i sprę-

ystość materiału) E =1,3 x 105 ¸ 2,9 x 105 MPa, zaleŜnie od kierunku

badania. To samo Ŝelazo o budowie polikrystalicznej wykazuje wartość
E = 2,1 x 105 MPa.

Do typowych właściwości anizotropowych naleŜą między innymi: wy-
trzymałość, sztywność, spręŜystość, twardość i wydłuŜenie.

Anizotropia  własności  kryształów  dotyczy  monokryształów.  W  mater-
iałach  polikrystalicznych  w  stanie  lanym  poszczególne  ziarna  wykazują
róŜną,  przypadkową  orientację  krystalograficzną,  co  przy  duŜej  ilości
ziarn dowolnie zorientowanych powoduje, Ŝe właściwości metalu w róŜ-
nych kierunkach są takie same, czyli materiał jest izotropowy.

UDOWA METALI I ICH STOPÓW

Strona

2.2. Defekty budowy

krystalicznej

Budowa  rzeczywista  ciał  krystalicznych  znacznie  odbiega  od  idealnego
wzorca  sieci  krystalicznej.  Wszelkie  wady  struktury  krystalicznej  nazy-
wane  są  defektami.  Defekty  mają  istotny  wpływ  na  własności  fizyczne
i mechaniczne metali:

• nie potrafimy ich uniknąć, aby osiągnąć teoretyczne (kry-

ształ bez defektów) właściwości kryształu, ale

• wywołujemy je celowo przez tworzenie stopów, obróbkę

cieplną, techniki wytwarzania, aby otrzymać określone właś-
ciwości materiału.

Tajemnica właściwości materiałów tkwi w rodzaju wiązań między ato-
mami oraz w moŜliwości powstawania i ruchu defektów w ich
strukturze.

Czynnikami, które kształtują strukturę krystaliczną ciał polikrystalicz-
nych są:

• sposób i warunki, w jakich odbywa się krystalizacja z fazy

ciekłej,

• ilość i rodzaj domieszek i dodatków stopowych, czyli skład

atomowy ciała stałego,

• obróbka cieplna i mechaniczna, itp.

• Większość materiałów krystalicznych charakteryzuje się

budową polikrystaliczną, czyli złoŜone są one z bardzo wie-
lu kryształów zorientowanych pod róŜnymi kątami i oddzie-
lonych od siebie obszarami nazywanymi granicami ziarn.

Związane jest to z procesem krystalizacji, który przebiega dwuetapowo:

• powstanie w cieczy obszarów, w których występuje upo-

rządkowanie atomów, czyli zarodków krystalizacji; zarodki
muszą osiągnąć pewną krytyczną wielkość, aby moŜliwy był
ich dalszy rozrost,

OZDZIAŁ

Strona

• zwiększenie objętości fazy stałej przez przyłączanie do niej

atomów z cieczy.

Aby  przemiana  przejścia  z  fazy  ciekłej  do  stałej  mogła  się  rozpocząć,
musi  wystąpić  zmniejszenie  energii  swobodnej  układu.  Siła  napędowa
przemiany  zaleŜy  od  przechłodzenia  cieczy,  czyli  róŜnicy  między  rów-
nowagową temperaturą krystalizacji a rzeczywistą temperaturą, w której
zachodzi  przemiana.  Wzrost  kryształów  jest  ograniczony  sąsiedztwem
innych  kryształów.  Przy  zetknięciu  się  dwóch  sąsiadujących  kryształów
tworzy się między nimi granica ziarn w sposób umoŜliwiający osiągnię-
cie orientacji zapewniającej minimum energii.

Rysunek 2.7. Schematy: a) zarodków krystalizacji, b) wzrostu objętości

fazy stałej, c) granic ziarn, d) orientacji krystalograficznej

w poszczególnych ziarnach

Granice  ziarn  tworzą  powierzchniowe  defekty  struktury  krystalogra-
ficznej i są wąską  strefą materiału o szerokości 2¸3 średnic atomowych,
w której atomy są ułoŜone w sposób chaotyczny. Oddzielają one obszary
materiału  o  tej  samej  strukturze  krystalograficznej  i  o tym samym skła-
dzie  chemicznym,  róŜniące  się  orientacją  w  przestrzeni.  Ze  względu  na
kąt dezorientacji dzielimy je na:

• szerokokątowe, gdy kąt między kierunkami krystalograficz-

nymi po obu stronach granicy jest większy od 15°,

• wąskokątowe, gdy kat dezorientacji jest mniejszy od 15°.

Rysunek 2.8. Schemat zaburzenia struktury krystalicznej na granicy

ziarn oraz kąta dezorientacji struktury krystalograficznej

UDOWA METALI I ICH STOPÓW

Strona

Granice międzyfazowe oddzielają w ziarnie obszary o róŜnej strukturze
krystalograficznej i/ lub róŜnym składzie chemicznym. Dzielimy je na:

• koherentne – atomy granicy jednej fazy są wspólnymi

atomami granicy drugiej fazy,

• półkoherentne,

• niekoherentne.

W  pojedynczych  ziarnach  struktury  krystalograficznej  mogą  równieŜ
występować defekty, ze względu na cechy  geometryczne dzielimy je na
punktowe i liniowe.

Defekty  punktowe  –  mają  niewielkie  wymiary  i  są  wynikiem  drgań
cieplnych  sieci  krystalicznej  oraz  działania  sił  zewnętrznych,  którym
podlegają  atomy  w  sieci.  Najprostszym  defektem  punktowym  jest
wakans – brak atomu w węźle sieci krystalicznej.

Rysunek 2.9. Defekty punktowe struktury krystalograficznej:

a) wakans, b) atom międzywęzłowy

Powoduje to zniekształcenie sieci krystalicznej i pojawienie się pola
napręŜeń rozciągających.

Liczba wakansów w strukturze jest zaleŜna od temperatury. W danej
temperaturze ustala się równowagowa koncentracja Nn wakansów
zgodnie z równaniem:

)

exp(

−

≈

gdzie:

n – liczba wakansów,

N – liczba atomów,

– energia tworzenia wakansu [J],

k – stała Boltzmanna [k = 13,8 10 –24 J/K],

OZDZIAŁ

Strona

T – temperatura bezwzględna [K].

Dzięki drganiom cieplnym wakanse przemieszczają się w kryształach
i są odpowiedzialne za mechanizm dyfuzji w stanie stałym.

Przy określonej amplitudzie drgań cieplnych mogą powstać jednocześnie
dwa defekty wakans i atom międzywęzłowy (defekt Frenkla) – atom
opuszcza swoją pozycję i zajmuje połoŜenie międzywęzłowe. Sytuacja ta
jest moŜliwa jedynie w strukturach, w których odległości miedzy atoma-
mi są na tyle duŜe, Ŝe atom wytrącony moŜe zająć pozycję międzywęzło-
wą. W przypadku struktur o zwartych sieciach krystalicznych, tworzenie
defektu punktowego związane jest z utworzeniem wakansu i wywędro-
waniem atomu wytrąconego z pozycji węzłowej na powierzchnię krysz-
tału (defekt Schottky’ego).

Punktowe defekty sieci krystalicznej tworzą równieŜ występujące w niej
obce atomy. Powoduje to równieŜ zniekształcenie sieci krystalicznej
i powstanie napręŜeń ściskających lub rozciągających.

Rysunek 2.10. Defekty punktowe struktury krystalograficznej wywołane

obcymi atomami: a) atom międzywęzłowy. b) i c) atomy węzłowe

Defekty  liniowe  –  są  to  defekty  budowy  krystalicznej,  które  w  jednym
kierunku  mają  wymiar  kilku  odległości  międzyatomowych,  a  w  drugim
–  wymiar  zbliŜony  do  wymiaru  ziarna.  Zalicza  się  do  nich  dyslokacje
krawędziowe,  śrubowe  i  mieszane.  Dyslokacje  powstają  w  procesie
krzepnięcia, a takŜe podczas obróbki plastycznej.

Dyslokacja  krawędziowa  jest  zaburzeniem sieciowym  struktury krysz-
tału  powstającym  wskutek  utworzenia  się  dodatkowej  półpłaszczyzny,
zwanej  ekstrapłaszczyzną.  Miarą  tego  zaburzenia  jest  wektor  Burgersa.
W  zaleŜności  od  połoŜenia  ekstrapłaszczyzny  wyróŜniamy  dyslokacje
krawędziowe  dodatnie  (dodatkowa  płaszczyzna  jest  nad  płaszczyzną
poślizgu) i ujemne (z ekstrapłaszczyzną pod płaszczyzną poślizgu). Dys-
lokacje jednoimienne odpychają się, natomiast róŜnoimienne przyciągają
i jeśli leŜą w jednej płaszczyźnie poślizgu następuje ich anihilacja.

UDOWA METALI I ICH STOPÓW

Strona

Rysunek 2.11. Model i rozkład atomów w płaszczyźnie prostopadłej

do linii dyslokacji krawędziowej dodatniej

Dyslokacja krawędziowa przemieszcza się po ściśle określonej płaszczy-
ź

nie poślizgu w kierunku działającego napręŜenia stycznego, równolegle

do wektora Burgersa, w wyniku czego następuje przemieszczenie części
kryształu  wzdłuŜ  określonej  płaszczyzny  krystalograficznej.  Dyslokacje
przemieszczają się najczęściej po płaszczyznach i w kierunkach krystalo-
graficznych najgęstszego ułoŜenia atomów. Płaszczyzna krystalograficz-
na  najgęściej  upakowana  atomami,  po  której  porusza  się  dyslokacja
i kierunek  najgęściej obsadzony  atomami  w niej  leŜący,  wzdłuŜ którego
dyslokacja  się  porusza  –  tworzą  system  łatwego  poślizgu.  Liczba  sys-
temów  poślizgu  struktury  krystalograficznej  wpływa  na  właściwości
plastyczne metali.

Rysunek 2.12. Płaszczyzna i kierunki gęstego upakowania atomów

w strukturze RPC

Ruch dyslokacji powoduje odkształcenie plastyczne

– przesuniecie jed-

nej części kryształu względem drugiej o jedną odległości międzyatomo-
wą. Przy ruchu dyslokacji wiązania międzyatomowe są zrywane jedynie
w pobliŜu dyslokacji, a po jej przejściu natychmiast odnawiane, dlatego
napręŜenie niezbędne do tego, aby dyslokacja „przesunęła” się przez

Odkształcenie plastyczne – odkształcenie, które nie ustępuje po usunięciu napręŜenia,

które je wywołało

OZDZIAŁ

Strona

kryształ i wyszła na powierzchnię jest znacznie mniejsze niŜ przy
sztywnym przesunięciu obu części kryształu.

Rysunek 2.13. Model mechanizmu odkształcenia plastycznego przy

braku dyslokacji w strukturze krystalograficznej

NapręŜenie  teoretyczne  potrzebne  do  zrealizowania  przemieszczenia
jednej części kryształu względem drugiej przy braku dyslokacji w struk-
turze,  czyli  przy  załoŜeniu  przezwycięŜenia  siły  wiązań  atomowych  na
całej  płaszczyźnie  poślizgu,  jest  10

÷ 10

razy większe od napręŜeń

powodujących poślizg dyslokacji.

Efekt, jaki dyslokacja wywołuje  w materiale, moŜna porównać do tego,
jak  porusza  się  gąsienica,  która  ma  za  mało  siły,  aby  unieść  w  marszu
cięŜar  całego  swojego  ciała,  opracowała,  więc  technikę  polegającą  na
unoszenie  jedynie  jego  fragmentów.  Jest  to sposób marszu  wymagający
znacznie mniejszego wysiłku. Kolejne stadia przemieszczania się dyslo-
kacji przestawiono na rysunku 2.14.

Rysunek. 2.14. Kolejne etapy przemieszczania się dyslokacji

krawędziowej

Dyslokacje krawędziowe mogą się teŜ przemieszczać w krysztale po-
przez wspinanie. Jest to dyfuzyjny ruch atomów ekstrapłaszczyzny do

UDOWA METALI I ICH STOPÓW

Strona

wakansów powodujący skracanie dyslokacji (rysunek 2.15) lub teŜ dołą-
czanie atomów do dodatkowej półpłaszczyzny powodujące wydłuŜenie
dyslokacji. Wspinanie zachodzi w temperaturach większych od 0,5 T

top

Rysunek 2.15. Mechanizm wspinania dyslokacji krawędziowej

Dyslokacja  śrubowa  jest  równieŜ  zaburzeniem  sieciowym  struktury
kryształu  powstałym  w  wyniku  przesunięcia  jednej  części  kryształu
względem  drugiej  o  jedną  odległość  międzyatomową,  w  wyniku  czego
płaszczyzny  atomowe  prostopadłe  do  linii  dyslokacji  tworzą  powierz-
chnię śrubową, której osią jest dyslokacja.

Rysunek 2.16. Model dyslokacji śrubowej

Dyslokacje śrubowe mogą przemieszczać się tylko przez poślizg, ale
ze względu na moŜliwość poślizgu poprzecznego ich ruch nie jest ogra-
niczony tylko do jednej płaszczyzny poślizgu.

Przedstawiony opis prostych typów dyslokacji występuje rzadko w kry-
ształach. W rzeczywistości powstają dyslokacje mieszane będące kombi-
nacją dyslokacji krawędziowych i śrubowych, linie ich mają bardzo
złoŜoną i nieregularną budowę, tworzą pętle i skupiska.

Dyslokacje, powodując zniekształcenie sieci krystalicznej, wytwarzają
wokół siebie pola napręŜeń rozciągających lub ściskających.

Defekty liniowe pod wpływem napręŜeń zewnętrznych i w zaleŜności od
sposobu rozmieszczenia mogą w krysztale:

• poruszać się po płaszczyznach poślizgu,

OZDZIAŁ

Strona

• powstawać i zanikać,

• rozpadać się i łączyć,

• rozgałęziać i zakotwiczać.

Dyslokacje,  przemieszczając  się  poprzez  kryształ,  napotykają  na  swej
drodze  szereg  przeszkód  (np.  obce  atomy,  wydzielenia  faz,  itp.),  które
utrudniają  ich  ruch.  Dyslokacja,  napotkawszy  np.  defekt  punktowy,
„zaczepia się” o niego i nie moŜe przemieszczać się dalej. Przeszkodę tę
moŜe pokonać  albo na drodze fluktuacji termicznych lub pod wpływem
przyłoŜonego  napręŜenia  zewnętrznego.  NapręŜenia  potrzebne  do  uru-
chomienia dyslokacji są tym większe, im mniejsze są odległości między
występującymi w krysztale przeszkodami.

2.3. Struktura stopów metali

W zaleŜności od stęŜenia dodatków stopowych oraz parametrów techno-
logicznych wytwarzania, w stanie stałym mogą występować następujące
fazy :

• czyste metale (brak wzajemnej rozpuszczalności w fazie

stałej),

• jednorodne roztwory stałe,

• fazy

międzymetaliczne,

międzywęzłowe

złoŜonej

struktu-

rze.

Jednorodne roztwory stałe

Dodatki stopowe rozpuszczają się w sieci danego metalu, tworząc roz-
twór stały, przy czym rozpuszczalność poszczególnych składników mo-
Ŝ

e zmieniać się w zakresie od mniej niŜ 0,01 do 100%

Roztwory stałe (jednorodna faza o wiązaniu metalicznym) powstają, gdy
w skład sieci  krystalicznej  czystego składnika wchodzą atomy domiesz-
ki. Po dodaniu składnika rozpuszczanego struktura krystaliczna rozpusz-
czalnika  pozostaje  niezmieniona.  W  zaleŜności  od  rozmieszczenia  ato-
mów  domieszek  w  sieci  krystalicznej  rozpuszczalnika  mogą  powstawać
roztwory róŜnowęzłowe lub międzywęzłowe.

UDOWA METALI I ICH STOPÓW

Strona

Zgodnie z tzw. regułami Hume'a i Rothery'ego, tworzeniu roztworów
stałych sprzyjają:

• podobne promienie atomowe (do 15% róŜnicy),

• ten sam typ struktury krystalicznej,

• podobna elektroujemność (przy duŜych róŜnicach tendencja

do tworzenia faz międzymetalicznych),

• jednakowa wartościowość.

Przy  zachowaniu  wymienionych  warunków  mogą  tworzyć  się  roztwory
ciągłe  o  nieograniczonej  wzajemnej  rozpuszczalności  składników  (roz-
puszczalności  do  100%).  Jeśli  jeden  z  warunków  nie  zostaje  spełniony,
uzyskujemy roztwory graniczne o ograniczonej rozpuszczalności.

Tabela 2.1 Przykładowe roztwory stałe w niklu (Ni (II) struktura RSC)
w zaleŜności od warunków Hume'a i Rothery'ego

Metal

∆

∆r [%]

Sieć

∆

∆ elektro-

ujemności

Wartościowość

Graniczna

rozpuszczalność

RSC

Roztwór ciągły

100%

RSC

0,3

III

Roztwór graniczny

do 22%

RSC

Roztwór graniczny

do 2%

RSC

0,9

Brak

rozpuszczalności

Roztwór  międzywęzłowy  tworzą  małe  atomy  (węgiel,  bor,  i  większość
gazów)  rozmieszczone  przypadkowo  w  lukach  między  większymi  ato-
mami  (metale  przejściowe).  Roztwory  te  mają  rozpuszczalność  ogra-
niczoną  do  kilku  procent.  Ich  struktura  ma  bardzo  istotny  wpływ  na
właściwości stopu (przykładowo Fe – C)

Rysunek 2.17. Model roztworu międzywęzłowego

OZDZIAŁ

Strona

Rysunek 2.18. Modele roztworów róŜnowęzłowych – rozmieszczenie

atomów rozpuszczonych: a) przypadkowe, b) uporządkowane

(nadstruktura), c) tworzenie skupień (klasterów)

W roztworach róŜnowęzłowych atomy rozpuszczone zajmują pozycje
w węzłach sieci krystalicznej pierwiastka macierzystego (rysunek 2.18).

Wprowadzenie do sieci krystalicznej obcych atomów powoduje jej de-
formację (defekty punktowe rysunek 2.10), a tym samym wprowadzenie
do sieci napręŜeń ściskających lub rozciągających.

Fazy międzymetaliczne, międzywęzłowe i o złoŜonej strukturze

Fazy międzymetaliczne są tworzone przez metale (M1, M2) i mają inną
strukturę  niŜ  czyste  składniki,  które  ją  tworzą  oraz  określone  rozmiesz-
czenie  składników  w  węzłach  sieci  krystalicznej.  Do  faz  międzymeta-
licznych  zaliczamy  między  innymi  CuZn

, MgCu

, Al

Cu. Zapis ste-

chiometryczny faz określa udział atomów w komórce elementarnej sieci
krystalicznej.  Niejednokrotnie  fazy  te  powstają  w  szerszym  zakresie
stęŜeń, posiadają strukturę fazy międzymetalicznej, ale węzły sieci nie są
w  pełni  obsadzone  atomami obydwu składników.  Faza międzymetalicz-
na  wykazująca  róŜnice  w  stosunku  do  składu  stechiometrycznego  nazy-
wana jest wtórnym roztworem stałym.

Do  faz  międzywęzłowych  i  o  złoŜonej  strukturze  zaliczamy  fazy,
w skład których wchodzi metal przejściowy (M) oraz niemetal (X). Są to
borki,  wodorki,  węgliki  i  azotki.  W  strukturze  krystalicznej  węzły  sieci
obsadzone  są  atomami  metali,  a  przestrzenie  międzywęzłowe  atomami
niemetali. Związki te są bardzo twarde i kruche oraz wykazują przewod-
nictwo elektryczne.

Fazy międzywęzłowe powstają, gdy stosunek promieni atomowych
atomów międzywęzłowych (niemetali) do promienia atomów w węzłach
sieci (metalu) jest

≤ 0,59 i moŜna je przedstawić ogólnymi wzorami

X, M

X, MX, MX

. Przykładowo Fe

N, Fe

N, TiN.

UDOWA METALI I ICH STOPÓW

Strona

Fazy o złoŜonej strukturze powstają, gdy r

> 0,59. Na przykład Fe

Fazy te ze względu na swoje właściwości mają istotne znaczenie przy
zwiększaniu wytrzymałości stopów.

OZDZIAŁ

Strona

3.1. Gęstość

Gęstość (masa właściwa) – masa jednostki objętości, dla substancji
jednorodnych określana, jako stosunek masy m do objętości V:









Gęstość  jest  cechą  charakterystyczną  materiału  i  w  określonych  warun-
kach  standardowych  stanowi  jedną  z  najwaŜniejszych  cech  materiału
konstrukcyjnego  –  słuŜy  do  obliczania  masy  i  cięŜaru  określonej  obję-
tości materiału.

Gęstość materiału (substancji) zaleŜna jest od rodzaju atomów, z jakiego
jest on zbudowany oraz sposobu ich rozmieszczenia w przestrzeni.

Tabela 3.1 Gęstości wybranych materiałów

Materiał

Gęstość [Mg/m

]

Węglik wolframu

14 – 17

Molibden i jego stopy

10 – 13,7

Miedź

8,9

elazo

7,9

Stal

7,5 – 7,8

Tytan

4,5

Tlenek aluminium

3,9

Aluminium

2,7

Szkło kwarcowe

2,6

Włókna węglowe

2,2

Grafit

1,8

Polistyren

1 – 1.1

Drewno

0,4 – 0,8

Pianki poliuretanowe

0,06 – 0,2

OZDZIAŁ

Strona

Rysunek 3.2. Definicja odkształcenia wzdłuŜnego i poprzecznego wg [2]

Liczba  Poissona  (ν)  jest  współczynnikiem  proporcjonalności  między
liniowym  odkształceniem  wzdłuŜnym  i  liniowym  odkształceniem  po-
przecznym. Współczynnik ten jest róŜny dla róŜnych materiałów i okreś-
la ich zachowanie podczas rozciągania.

Tabela 3.2 Liczba Poissona wybranych materiałów

Materiał

Liczba Poissona (ν)

Guma

~ 0,50

Tytan

0,34

Miedź

0,33

Aluminium

0,33

Stal nierdzewna

0,30-0,31

Stal

0,27-0,30

eliwo

0,21-0,26

Beton

0,20

Stopień  odkształcenia materiałów  konstrukcyjnych pod wpływem  takie-
go samego napręŜenia jest róŜny w zaleŜności od rodzaju materiału i je-
go  podatności  na  odkształcenie.  Materiały  sztywne  i  twarde,  takie  jak
ceramika, odkształcają się nieznacznie, natomiast miękkie, przykładowo
polipropylen,  odkształcają  się  w  znacznie  większym  stopniu.  Stałą  ma-
teriałową  opisującą  sztywność,  czyli  odporność  na  odkształcenie  sprę-

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

yste pod wpływem przyłoŜonego napręŜenia, jest moduł spręŜystości

wzdłuŜnej zwany równieŜ modułem Younga. PoniewaŜ odkształcenie
spręŜyste

wiąŜe się z wychyleniem atomów z ich połoŜeń równowago-

wych bez, rozerwania wiązań międzyatomowych, wartość modułu sprę-
Ŝ

ystości zaleŜna jest od sztywności wiązań międzyatomowych oraz licz-

by atomów przypadających na jednostkę powierzchni.

Rysunek 3.3. Model mechanizmu odkształcenia spręŜystego

Prawo Hooke'a formułuje zaleŜność między napręŜeniem a odkształce-
niem spręŜystym i definiuje moduł spręŜystości wzdłuŜnej.

Prawo Hooke'a: dla wielu materiałów odkształcenia spręŜyste (małe) są
wprost proporcjonalne do napręŜenia:

• przy jednoosiowym rozciąganiu,

gdzie E – moduł spręŜystości wzdłuŜnej (moduł Younga)

• przy ścinaniu,

gdzie G – moduł spręŜystości poprzecznej (moduł Kirchhoffa),

– rzeczywiste odkształcenie ścinania.

• przy trójosiowym ściskaniu

– K

∆

gdzie K – moduł ściśliwości,

Odkształcenie spręŜyste– odkształcenie, które ustępuje po usunięciu napręŜenia, które

je wywołało.

OZDZIAŁ

Strona

∆

– odkształcenie objętościowe.

Tak, więc uzyskujemy cztery stałe materiałowe: E, G, K i

charaktery-

zujące właściwości spręŜyste materiałów. Między poszczególnymi
modułami występują następujące zaleŜności:

)

(

)

(

−

Przyjmując dla metali wartość

= 1/3 między modułami uzyskujemy

proste zaleŜności:

≈E, G≈3/8 E

Tabela 3.3. Modułu spręŜystości (moduł Younga) wybranych materiałów

Materiał

Moduł Younga [GPa]

Diament

1100

Węglik wolframu

450 – 650

Tlenek aluminium

390

Molibden i jego stopy

320 – 365

elazo

196

Stal

190 – 210

Miedź

125

Tytan

116

Aluminium

Drewno dębowe (wzdłuŜ włókien)

Grafit

Polistyren

3 – 3.4

ywice epoksydowe

Gumy

0,01 – 0,1

Pianki poliuretanowe

0,001 – 0,01

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

3.3. Wytrzymałość statyczna

Wytrzymałość  statyczną  (odporność  na  działanie  napręŜeń  stałych  lub
jednostajnie narastających) materiałów konstrukcyjnych wyraŜa napręŜe-
nie,  po  przekroczeniu  którego  materiał  odkształca  się  plastycznie  lub
pęka.  ZaleŜne  jest  to  od  tego,  czy  odkształceniu  poddajemy  materiały
kruche czy teŜ spręŜysto – plastyczne.

Wytrzymałość  statyczną  oraz  właściwości  plastyczne  materiałów  wy-
znacza  się  w  próbie  rozciągania,  w  której  znormalizowaną  próbkę
poddaje  się  działaniu  narastającego  napręŜenia  i  rejestruje  się  zmianę
odkształcenia.

Metodyka przeprowadzania statycznej próby rozciągania oraz wielkości
uzyskiwane z krzywych rozciągania zostały zawarte w normie PN-EN
10002-1

Zgodnie z PN-EN 10002-1 w próbie statycznego rozciągania moŜna wy-
znaczyć następujące wielkości:

• R

p0,2

[MPa] umowną granicę plastyczności. R

p0,2

– jest to

napręŜenie rozciągające wywołujące w próbce odkształcenie
trwałe równe 0,2%,

• R

[MPa] wytrzymałość na rozciąganie. R

– jest to napręŜe-

nie umowne, odpowiadające maksymalnej wartości siły F

• A

[%] wydłuŜenie nieproporcjonalne procentowe przy

największej sile. A

– jest to przyrost wydłuŜenia niepro-

porcjonalnego

(plastycznego)

długości

próbki

przy

największej sile, wyraŜony w procentach początkowej dłu-
gości pomiarowej.

• A

[%] wydłuŜenie całkowite procentowe przy największej

sile. A

– jest to przyrost długości pomiarowej próbki (wy-

dłuŜenie spręŜyste i plastyczne) przy największej sile, wyra-
Ŝ

ony w procentach początkowej długości pomiarowej.

• A [%] wydłuŜenie procentowe po rozerwaniu. A – jest to

przyrost długości pomiarowej próbki po jej zerwaniu, wyra-
Ŝ

ony w procentach początkowej długości pomiarowej.

OZDZIAŁ

Strona

• A

[%] wydłuŜenie całkowite po rozerwaniu. A

– jest to

wydłuŜenie całkowite (spręŜyste i plastyczne) długości po-
miarowej próbki w momencie rozerwania, wyraŜone w pro-
centach początkowej długości pomiarowej.

• Z [%] przewęŜenie procentowe przekroju. Z – jest to iloraz

zmniejszenia pola powierzchni przekroju poprzecznego
próbki w miejscu zerwania do początkowej powierzchni
przekroju, wyraŜony w procentach.

PoniŜej przestawiono przykładowe wyniki statycznej próby rozciągania
we współrzędnych napręŜenie – odkształcenie dla materiału, który wyka-
zuje właściwości spręŜysto – plastyczne.

Rysunek 3.4. Krzywa napręŜenie – odkształcenie bez wyraźnej granicy

plastyczności zgodnie z PN-EN 10002-1

W  początkowym  etapie  rozciągania  metali  wykres  ma  charakter  pro-
stoliniowy. W zakresie tym odkształcenia są niewielkie i proporcjonalne
do  przyłoŜonego  napręŜenia.  Zakres  proporcjonalności  odnosi  się  do
odkształceń  spręŜystych  i  potwierdza  prawo  Hooke'a.  Po  przekroczeniu
napręŜenia R

zwanego granicą plastyczności, metal zaczyna odkształcać

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

się  plastycznie  i  na  wykresie  pojawia  się  odchylenie  od  linii  prostej.
W związku z tym, Ŝe dla wielu krzywych rozciągania precyzyjne wyzna-
czenie  tego  punktu  jest  utrudnione,  wprowadzono  pojęcie  umownej
granicy  plastyczności  R

p0,2

. Dla metali, czyli materiałów spręŜysto plas-

tycznych, umowna granica plastyczności jest miarą wytrzymałości
statycznej.

Do odkształcania próbki z metalu niezbędny jest ciągły wzrost napręŜe-
nia  aŜ  do  wartości  maksymalnej  Rm.  Spowodowane  jest  to  tym,  iŜ
w trakcie  odkształcania  metali  (i  ich  stopów)  wzrasta  gęstość  defektów
struktury  krystalicznej,  co  z  kolei  prowadzi  do  umocnienia  materiału

Po osiągnięciu maksymalnego napręŜenia wykres ma charakter malejący
z wyraźnym  ciągłym  spadkiem  napręŜenia.  Jest  to  związane  z  pojawie-
niem  się  przewęŜenia,  zwanego  „szyjką”,  w  rozciąganej  próbce.  Przy
dalszym  wzroście  napręŜenia  umocnienie  materiału  staje  się  niewystar-
czające,  aby  przenieść  wzrastające  napręŜenie  spowodowane  zmniejsze-
niem przekroju próbki. Materiał staje się niestabilny i proces przewęŜe-
nia  postępuje  szybko.  Przy  napręŜeniu  R

nazywanym wytrzymałością

doraźną na rozciąganie, materiał pęka.

Stopy  metali  wykazują  często  górną  i  dolną  granicę  plastyczności.  Po
osiągnięciu  górnej  granicy  plastyczności  widoczny  jest  przyrost  od-
kształcenia bez przyrostu siły rozciągającej, a nawet przy chwilowych jej
spadkach.  Często  wahania  napręŜeń  niezbędnych  do  dalszego  odkształ-
cenia powtarzają się kilka razy, przy czym zawsze są mniejsze od naprę-
Ŝ

enia, które zapoczątkowało odkształcenie plastyczne. Związane jest to z

kotwiczeniem  dyslokacji  poprzez  atomy  domieszek,  skupiające  się  wo-
kół  dyslokacji.  Górna  granica  plastyczności  odpowiada  napręŜeniu  po-
trzebnemu  do  oderwania  dyslokacji  z  miejsc  zakotwiczenia,  a  dolna
granica  odpowiada  napręŜeniu  potrzebnemu  do  poruszania  dyslokacji,
które się uwolniły.

Górna granica plastyczności R

– jest to napręŜenie rozciągające, przy

którym zachodzi nagłe wydłuŜenie próbki oraz spadek napręŜenia.

Dolna granica plastyczności R

– jest to minimalne napręŜenie (w

przypadku, gdy na wykresie jest więcej niŜ jedno lokalne minimum, to
naleŜy pominąć pierwsze występujące bezpośrednio po górnej granicy
plastyczności)

występujące

przekroczeniu

górnej

granicy

plastyczności.

Mechanizm umocnienia odkształceniowego będzie omówiony w kolejnym rozdziale.

OZDZIAŁ

Strona

Rysunek 3.5. Krzywa napręŜenie – odkształcenie

z wyraźną granicą plastyczności

Dla materiałów spręŜysto – plastycznych umowna granica plastyczności
lub górna granica plastyczności wyznacza dla danego materiału dopusz-
czalne napręŜenia na rozciąganie. Do obliczeń wytrzymałościowych
przyjmuje się dopuszczalne napręŜenia ze wzoru:

gdzie:

– napręŜenia dopuszczalne na rozciąganie,

– współczynnik bezpieczeństwa.

3.4. Wytrzymałość zmęczeniowa

Niejednokrotnie  materiały  zastosowane  w  częściach  maszyn  oraz  ele-
menty konstrukcji podlegają obciąŜeniom zmieniającym się w czasie np.
okresowo.  Są  to  obciąŜenia  zmienne,  a  napręŜenia  przez  nie  wywołane
są  napręŜeniami  zmiennymi  mającymi,  w  większości  przypadków  prze-
bieg  sinusoidalny.  ObciąŜenia  te  prowadzą  do  zniszczenia  materiału

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

wskutek  utworzenia  mikropęknięć  i  ich  późniejszej  propagacji  lub  teŜ
propagacji  juŜ  istniejących  pęknięć.  Zniszczenie  materiału,  a  właściwie
jego  pęknięcie,  zachodzi  przy  wartościach  napręŜeń  mniejszych  od
granicy  plastyczności.  ObniŜanie  się  wytrzymałości  przy  działaniu  na-
pręŜeń zmiennych nosi nazwę zmęczenia materiałów.

Rysunek 3.6. Sinusoidalny przebieg napręŜeń zmiennych:

a) – wahadłowy, b) – odzerowo tętniący, c) – dwustronny

(niesymetryczny), d) – jednostronny dodatni wg [3]

Wytrzymałość zmęczeniową Z

określa się jako maksymalne napręŜe-

nie, przy którym próbka nie ulega zniszczeniu po osiągnięciu umownej
granicy liczby cykli N

• N

= 10x106 dla stali i innych stopów Ŝelaza,

• N

= 100x106 dla stopów metali nieŜelaznych.

Wytrzymałość zmęczeniową wyznacza się przez doprowadzenie określo-
nej liczby próbek do zniszczenia, zmieniając w kolejnych próbach

dla

ustalonej wartości

. KaŜdej wartości

σa odpowiada liczba cykli nisz-

czących o ile

nie obniŜy się do wartości odpowiadającej wytrzymałoś-

ci zmęczeniowej materiału.

OZDZIAŁ

Strona

Rysunek 3.7. Wykres Wöhlera dla obrotowo zginanych próbek

ze stali wg [3]

3.5. Twardość

Twardość  – cecha ciał stałych świadcząca o podatności lub odporności
na  odkształcenia  plastyczne  pod  wpływem  zewnętrznego  nacisku  sił
skupionych  działających  na  jego  powierzchnię.  Twardość  jest  istotną
charakterystyką  materiałów  konstrukcyjnych.  Dla  kaŜdego  z  typu  tych
materiałów  utworzono  odpowiednie  metody  klasyfikacji  i  pomiarów
twardości.

Dla stopów metali stosowane są metody:

Metoda  Rockwella:  stosowana  dla  szerokiego  zakresu  stopów  metali
począwszy  od  stali  hartowanych  poprzez  stale  w  stanie  zmiękczonym
oraz  stopy  metali  nieŜelaznych.  Polega  ona  na  pomiarze  głębokości
odcisku dokonanego wzorcowym stoŜkiem diamentowym lub hartowaną
stalową  kulką.  Metoda  ta  jest  łatwa  w  uŜyciu  i  szybka,  gdyŜ  wartość
twardości odczytywana jest na specjalnym wskaźniku, bez konieczności
dokonywania  dodatkowych  pomiarów  i  obliczeń.  Dodatkową  jej  zaletą
jest  to,  Ŝe  jest  ona  nieniszcząca  i  pozostawia  na  badanym  przedmiocie
tylko niewielką skazę.

Twardość w skali Rockwella oznaczana jest HR. Stosowanych jest kilka
odmiennych skal, z których kaŜda przeznaczona jest do róŜnych stopów
metali.

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

Przykładowo:

• Skale HRC i HRA stosuje się do stali hartowanych.

• Skale HRB i HRF stosuje się do stali w stanie zmiękczonym

i metali nieŜelaznych

Metoda  Brinella:  w  metodzie  tej  pomiar  twardości  dokonywany  jest
poprzez  wciskanie  w  próbkę  metalu  kulki  ze  stali  hartowanej  lub
z węglików  spiekanych.  Średnica  kulki  i  siła  docisku  zaleŜy  od  rodzaju
materiału  i  grubości  próbki.  Twardość  w  skali  Brinella  oznaczana  jest
HB.

Twardość wyznaczana jest, jako iloraz wartości siły docisku do pola
powierzchni uzyskanego odcisku.

Metoda  Vickersa:  w  metodzie  tej  pomiar  twardości  dokonywany  jest
diamentowym  ostrosłupem  o  kwadratowej  podstawie  i  kącie  rozwarcia
pomiędzy ścianami 136°. Nacisk dobierany jest od 9,8 N do 981 N, przy
czym jako podstawę przyjęto wartość siły równą 294 N.

Twardość w skali Vickersa oznacza się HV. Twardość wyznaczana jest
jako iloraz wartości siły do powierzchni pobocznicy odcisku.

Pomiar twardości gumy i elastomerów dokonuje się metodą Shore'a
oraz IRHD.

Metoda IRHD: metoda IRHD jest zbliŜona zasadą działania do metody
Rockwella.  Twardościomierze  IRHD  są  wyposaŜone  we  wgłębnik
w kształcie  kulki,  który  jest  wciskany  w  próbkę  z  obciąŜeniem  wstęp-
nym  i  głównym.  Mierzona  jest  róŜnica  wgłębień  i  przeliczana  bezpo-
ś

rednio na wynik w stopniach IRHD. Występują podstawowe trzy kom-

binacje metody (3 zakresy) róŜniące się obciąŜeniem i wgłębnikiem, (N)
Normalna (Standardowa), (H) High (Wysoka) i (L) Low (Niska).

Metoda  Shore'a:  twardość  gumy  określana  jest  jako  łatwość,  z  jaką
iglica o specjalnym kształcie zagłębia się w próbkę. W zaleŜności od siły
nacisku  oraz  stosowanego  wgłębnika  wyróŜnia  się  wiele  skal  Shore'a.
Najczęściej stosowanymi są: skala A dla gum miękkich oraz skala D dla
gum i tworzyw twardych i bardzo twardych. Określenie twardości odby-
wa się poprzez pomiar zagłębienia wgłębnika w badany materiał. Twar-
dość  jest  określana,  jako  pochodna  siły  oporu  mechanizmu  spręŜynują-
cego przy zastosowaniu odpowiedniego wgłębnika.

OZDZIAŁ

Strona

3.6. Wiązkość

Wiązkość opisuje odporność materiału na rozprzestrzenianie się w nim
istniejących lub teŜ powstałych w czasie eksploatacji mikropęknięć. Od-
porność na nagłe pękanie jest zaleŜna od cech materiałowych i wyraŜana
stałą materiałową G

Wiązkość – G

[kJ/m

] .jest wartością energii wymaganej do utworzenia

pęknięcia o powierzchni jednostkowej (nazywana teŜ krytyczną szybkoś-
cią uwalniania energii).

Kryterium propagacji pęknięcia wyraŜa się wzorem:

gdzie:

σ – działające napręŜenie,

a – długość początkowa pęknięcia,

E – moduł Younga,

– wiązkość.

Lewa strona równania opisuje krytyczne warunki zewnętrzne (napręŜe-
nie i długość pęknięcia), przy których zachodzi propagacja pęknięcia.
Pęknięcie materiału wystąpi, jeŜeli:

• przy działającym napręŜeniu

w materiale wystąpi krytycz-

na długość pęknięcia lub

• na materiał, w którym występuje pękniecie o długości a

i działa napręŜnie o krytycznej wartości

WyraŜenie

nazywane jest współczynnikiem intensywności

napręŜeń i oznaczane symbolem K.

Wartość wyraŜenia po prawej stronie równania zaleŜy jedynie od cech
materiałowych (E i G

) i nazywana jest krytycznym współczynnikiem

intensywności napręŜeń (K

)

Współczynnik intensywności napręŜeń zaleŜy, więc od rozmiarów szcze-
liny i od przyłoŜonego obciąŜenia. W warunkach, gdy napręŜenie nomi-

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

nalne

przy danej długości szczeliny a osiągnie wartość, przy której

następuje propagacja pęknięcia, współczynnik intensywności napręŜeń
osiąga wartość krytyczną (K

). Ma on szczególne znaczenie dla badania

materiałów, gdyŜ jest on właśnie miarą odporności materiału na pękanie.

Mikropęknięcia występujące w materiale powodują koncentrację naprę-
Ŝ

eń na wierzchołkach pęknięć, co powoduje, Ŝe lokalne napręŜenia wy-

stępujące  w  materiale  są  wyŜsze  od  napręŜeń  średnich.  Odporność  ma-
teriału  na  nagłe pękania związana jest z moŜliwością  relaksacji koncen-
tracji lokalnych napręŜeń.

Materiały charakteryzujące się wysoką odpornością na nagłe pękania
mają zdolność plastycznego odkształcenia, a tym samym pochłaniają du-
Ŝą

ilość energii związanej z odkształceniem plastycznym, co oznacza, Ŝe

propagacja pęknięcia w tych materiałach zachodzi trudno, a tym samym
K

mają wysokie wartości.

Przeciwieństwem wiązkości jest kruchość. Materiały kruche mają moŜli-
wość odkształcenia plastycznego w ograniczonym zakresie i mogą przy-
jąć znacznie mniej energii niŜ materiały o duŜej wiązkości i tym samym
propagacja pęknięć zachodzi w nich znacznie łatwiej (przy niŜszych
napręŜeniach).

Tabela 3.3. Przykładowe wartości wiązkości G

i krytycznego

współczynnika napręŜeń K

wg [2].

Materiał

[kJ⋅⋅⋅⋅m

]

[MN⋅⋅⋅⋅m

-3/2

]

Czyste metale np. Cu, Ni, Al

100 – 1000

Stale o wysokiej wytrzymałości

15 – 118

Stopy aluminium

8-30

23-45

Stale średnio węglowe

Polipropylen

eliwo

0,2-3

6-20

Polistyren

Węglik krzemu

0,05

Tlenek aluminium

0,02

3-5

Szkło sodowe

0,01

0,7-0,8

Odporność na pękanie jest niezwykle istotnym parametrem określającym
właściwości danego materiału, a zwłaszcza materiału konstrukcyjnego.

OZDZIAŁ

Strona

Materiały  o  wysokich  właściwościach  mechanicznych  niejednokrotnie
posiadają  niską  odporność  na  pękanie.  Zastosowanie  takiego  materiału
do  konstrukcji,  która  podlega  obciąŜeniom  dynamicznym,  moŜe  do-
prowadzić  do  zniszczenia  konstrukcji  wskutek  nagłego  pękania  jej
elementów.

Na  odporność  materiału  na  pękanie  istotny  wpływ  ma  temperatura
eksploatacji. Dla wielu materiałów, między innymi dla metali o struktu-
rze  RPC,  w  temperaturze  przejścia  materiału  w  stan  kruchy  (próg  kru-
chości)  następuje  skokowa  zmiana  skłonności  do  kruchego  pękania,
co wiąŜe  się  ze  spadkiem  ruchliwości  dyslokacji.  LeŜy  ona  zazwyczaj
w zakresie temperatur ujemnych. Nie wszystkie materiały w sposób jed-
nakowy  są  wraŜliwe  na  działanie  niskich  temperatur.  Stopy  niklu,
aluminium i miedzi nie są wraŜliwe na działanie obniŜonej temperatury.
W stopach Ŝelaza, a w szczególności w stali, temperatura progu kruchoś-
ci jest wyraźna, a spadek odporności na pękanie moŜe być bardzo duŜy.

Miarą  odporności  metali  i  ich  stopów  na  pękanie  przy  dynamicznych
obciąŜeniach  jest  udarność,  która  zgodnie  z  PN EN 10045-1: 1994
wyraŜana jest energią K[J] zuŜytą na złamanie próbki. Metoda polega na
dynamicznym  obciąŜeniu  próbki  z  karbem  i  wyznaczeniu  energii  po-
trzebnej do jej złamania.

Próba udarności jest prostą metodą pozwalającą przede wszystkim na
określenie, czy materiał nie znajduje się w stanie kruchym (przy wystę-
powaniu tzw. progu kruchości w obniŜonych temperaturach).

3.7. Kruchość i ścieralność

Kruchość (k) – przyjęto, Ŝe jest to stosunek wytrzymałości na
rozciąganie (R

) do wytrzymałości na ściskanie (R

); wielkość tę oblicza

się wg wzoru:

k =

JeŜeli  wartość  k  <  1/8  to  mamy  do  czynienia  z  materiałem  kruchym
(Ŝeliwo,  szkło,  skały,  beton  zwykły,  ceramika).  Materiały  kruche,  po
przekroczeniu  pewnej  wartości napręŜenia, ulegają zniszczeniu, nie  wy-
kazując  Ŝadnych  odkształceń  plastycznych.  Charakteryzują  się  duŜymi

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

róŜnicami  wytrzymałości  na  ściskanie  i  rozciąganie,  np.  wytrzymałość
na  rozciąganie  materiałów  kamiennych  wynosi  1/40  ÷  1/60  wytrzyma-
łości  na  ściskanie.  Kruche  pękanie  polega  na  zahamowaniu  odkształce-
nia  plastycznego  przez  spiętrzenie  dyslokacji  na  przeszkodach  (np.  gra-
nicach ziarn). Odpowiednia liczba dyslokacji jest przyczyną koncentracji
napręŜeń, które są źródłem powstawania ognisk mikropęknięć.

Ścieralność (s) – jest to podatność materiału na ścieranie.

Inaczej ścieralność jest to podatność materiału do zmniejszenia objętości
lub masy pod wpływem działania sił ścierających.

ZuŜycie materiału w procesie tarcia spowodowane jest ścieraniem, pęka-
niem i wykruszaniem cząstek materiału oraz adhezją powierzchni współ-
pracujących elementów.

Do najczęściej spotykanych rodzajów zuŜycia materiałów moŜna
zaliczyć wg [4]:

• zuŜywanie adhezyjne, które jest związane z adhezją po-

wierzchni trących. Powoduje ona lokalne szczepienia tych
powierzchni, co jest powodem pękania wiązań kohezyjnych,

• zuŜywanie ścierne, które jest związane z duŜą chropowa-

tością powierzchni styku. Występujące nierówności spełnia-
ją rolę mikroostrzy, powodując ubytek materiału spowodo-
wany mikroskrawaniem,

• zuŜywanie zmęczeniowe spowodowane jest przez cyklicznie

zmienne odkształcenia warstwy wierzchniej. Z powodu tego,
na powierzchni pojawiają się mikropęknięcia, których dalszy
rozwój i łączenie powoduje wykruszanie się materiału,

• zuŜywanie erozyjne powstaje w wyniku uderzenia drobnych

cząstek o powierzchnię materiału, powodując ubytek mater-
iału zwany erozją,

• zuŜywanie chemiczne występuje wskutek reakcji chemicz-

nych zachodzących między współpracującymi materiałami,
w których zachodzi proces tarcia (np. utlenianie),

• zuŜywanie cieplne zachodzi w wyniku wydzielania się duŜej

ilości ciepła, które powoduje w przypadku polimerów
zmiękczenie materiału w warstwach wierzchnich.

OZDZIAŁ

Strona

cieralność zaleŜy od budowy materiału, jego twardości i elastyczności.

Miarą ścieralności jest pomiar strat na wysokości próbki badanej lub
ubytku masy próbki w wyniku ścierania. Oznaczenie przeprowadza się
w specjalnych aparatach dostosowanych do rodzaju badanego materiału.

Badaniu temu poddaje się materiały, które w połączeniach ruchomych
konstrukcji podlegają ścieraniu oraz materiały, które w trakcie eksploata-
cji ulegają zuŜyciu wskutek tarcia. Obejmuje ono materiały na elementy
maszyn, narzędzi oraz podłogi, stopnie schodowe, nawierzchnie drogo-
we i lotniskowe, okładziny zbiorników na materiały sypkie, itp.

Pełzanie  materiałów,  zjawisko  ciągłego  plastycznego  odkształcania  się
materiału (np. części maszynowej, elementu konstrukcyjnego) znajdują-
cego  się  pod  stałym  obciąŜeniem.  W  temperaturze  pokojowej  pełzanie
wykazują  np.  ołów,  cyna  i cynk.  Pełzanie  materiałów  jest  własnością
niekorzystną,  niekiedy  dyskwalifikującą  zastosowanie  materiału  do
elementów  konstrukcyjnych.  Proces  ten  jest  zwykle  silnie  intensyfiko-
wany w wysokiej temperaturze lub w materiałach o niestabilnej struktu-
rze chemicznej.

T > (0,3 – 0,4) Tm (dla metali)

T > (0,4 – 0,5) Tm (dla ceramiki)

– temperatura topnienia.

Wytrzymałość na pełzanie jest to wartość stałego obciąŜenia podzielone
przez przekrój początkowy próbki, które po upływie określonego czasu
działania w danej stałej temperaturze, spowoduje rozerwanie próbki.

OZDZIAŁ

Strona

Defekty  struktury  krystalicznej  osłabiają  kryształ,  a  tym  samym  mają
istotny  wpływ  na  właściwości  materiałów.  Decydują  one  o  właściwoś-
ciach  wytrzymałościowych  i  plastycznych,  oraz  odgrywają  duŜą  rolę
w procesach dyfuzji i korozji.

Jedną z cech wytrzymałościowych materiałów jest jego „odporność” na
odkształcenia plastyczne charakteryzowana przez granicę plastyczności
(R

). Jak juŜ wspomniano w rozdziale drugim odkształcenie plastyczne

materiałów jest wynikiem przemieszczania się dyslokacji w kryształach.
Obecność  dyslokacji  w  strukturze  ułatwia  odkształcenie  plastyczne
materiału,  czyli  poślizg  jednej  części  kryształu  względem  drugiej,  gdyŜ
zamiast  jednoczesnego  zerwania  i  odtworzenia  wszystkich  wiązań
atomowych  w  płaszczyźnie,  następuje  kolejno  przemieszczenie  się
atomów  znajdujących  się  w  pobliŜu  dyslokacji  (rysunek  2.13  i  2.14).
Dodatkowym ułatwieniem jest to, iŜ atomy te są przesunięte z połoŜeń o
najniŜszej  energii.  Dlatego  teŜ  obecność  dyslokacji  w  strukturze
krystalicznej  powoduje,  iŜ  rzeczywista  wytrzymałość  poszczególnych
materiałów  jest  zdecydowanie  niŜsza  od  teoretycznej,  niezaleŜnie  od
rodzaju  występujących  wiązań.  Przykładowo,  obliczona  teoretycznie
wytrzymałość  na  rozciąganie  dla  stopów  Fe  (wiązanie  metaliczne)
wynosi  ok.  13,2  GPa  wg  [5].  Jednak  większość  dostępnych  obecnie
wysoko  wytrzymałych  stali  osiąga  rzeczywistą  wytrzymałość  na  pozio-
mie  1,5  GPa.  Oznacza  to,  Ŝe  wykorzystanych  jest  zaledwie  5  –  10%
teoretycznej  siły  wiązań  Fe.  Za  te  właśnie  róŜnice  odpowiedzialne  są
dyslokacje, czyli liniowe defekty sieci. Gdy dyslokacja przemieszcza się
przez  kryształ,  następuje  zerwanie  i  odtworzenie  wiązań między atoma-
mi.  Dlatego  teŜ  właściwości  wytrzymałościowe  w  duŜym  stopniu  zale-
Ŝ

ne są od wartości sił międzyatomowych w wiązaniach. Materiały takie

jak diament, węgliki, azotki itp., cechuje duŜy wewnętrzny opór stawia-
ny  ruchowi  dyslokacji  wynikający  z  bardzo  mocnych  wiązań  kowalen-
cyjnych.  Materiały te charakteryzują się wysoką  wytrzymałością i  twar-
dością.  Natomiast  czyste  metale  (wiązanie  metaliczne)  mają  niską
wytrzymałość i są bardzo miękkie.

Z przedstawionych rozwaŜań wynika, iŜ wytrzymałość i twardość metali
moŜna zwiększyć przez:

• usunięcie defektów struktury krystalicznej,

• lub zwiększenie oporu ruchu dyslokacji przez wytworzenie

odpowiednich przeszkód dla ich ruchu.

ETODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH

Strona

Pierwsza  z  moŜliwości  została  potwierdzona  przez  otrzymanie  włókien
włoskowatych  (wiskersów)  wydzielających  się  z  ciekłego  roztworu
stopu lub otrzymywanych metodą kondensacji par. Wiskersy ze względu
na  pozbawioną  defektów  strukturę  cechuje  wysoka  wytrzymałość  na
rozciąganie  wynosząca  nawet  12,6  GPa,  co  stanowi  95%  teoretycznej
wg  [5]  wytrzymałości  wiązań  atomów  Fe.  Jednak  proces  konsolidacji
prowadzący  do  uzyskania  litego  materiału  powodował  powstawanie  w
materiale  termodynamicznie  stabilnych  defektów  i  w  konsekwencji
prowadził do utraty znakomitych właściwości mechanicznych.

Druga  z  moŜliwości  umacniania  jest  powszechnie  wykorzystywana
w praktyce  i  ma  szczególne  zastosowanie  do  umacniania  metali.    Wy-
tworzone  w  materiale  przeszkody,  defekty  struktury  (atomy  domieszek,
dyslokacje,  granice  ziarn)  lub  obce  wtrącenia,  powodują  zakotwiczenie
dyslokacji,  a  w  takim  przypadku  napręŜenie  styczne  potrzebne  do
przemieszczenia  dyslokacji  poza  obszar  występowania  przeszkody  jest
większe od stycznego napręŜenia krytycznego

zapoczątkowującego ruch

dyslokacji.

W zaleŜności od rodzaju wytworzonych przeszkód wyróŜniamy
następujące mechanizmy umacniania:

• roztworowe (przez tworzenie roztworu),

• wydzieleniowe lub cząstkami fazy dyspersyjnej,

• przez rozdrobnienie ziarna (wzrost powierzchni granic

ziarn),

• odkształceniowe (zwiększenie gęstości dyslokacji).

4.1. Umocnienie roztworowe

Pierwiastki  rozpuszczone  w  materiale  macierzystym  tworzą  defekty
struktury  krystalicznej  i  stają  się  przeszkodami  dla  ruchu  dyslokacji.
Umocnienie roztworowe jest wynikiem:

Krytyczne napręŜenie styczne – minimalne napręŜenie styczne działające w kierunku

poślizgu, które powoduje ruch (poślizg) dyslokacji, wywołując odkształcenie
plastyczne materiału. NapręŜenia mniejsze od krytycznego wywołują jedynie
odkształcenia spręŜyste.

OZDZIAŁ

Strona

• blokowania dyslokacji – atomy rozpuszczone tworzą skupis-

ka  wokół  rdzeni  dyslokacji  i  je  blokują.  Do  uruchomienia
tak  zakotwiczonych  dyslokacji  wymagane  jest  napręŜenie
większe  od  napręŜenia  krytycznego.  Przykładowo,  w  celu
zmniejszenia  miejscowych  napręŜeń  rozciągających,  atomy
węgla  w  stopach  Ŝelaza  z  węglem  gromadzą  się  wokół  linii
dyslokacji  tworząc  tzw.  atmosfery  Cottrella  i  blokują
dyslokacje,

• i utrudnienia ruchu dyslokacji wynikającego z powstałego

w sięci  krystalicznej  (w  otoczeniu  defektów  punktowych)
pola  napręŜeń  powodującego  wzrost  napręŜenia  stycznego
niezbędnego  do  uruchomienia  dyslokacji.  Czyli  atomy  roz-
puszczone  w  sieci  krystalicznej  powodują  zburzenie  „gład-
kości” płaszczyzn poślizgu.

Stopień umocnienia roztworowego zaleŜny jest od tego, jaki roztwór
(międzywęzłowy czy róŜnowęzłowy) tworzą dodatki stopowe w struktu-
rze osnowy oraz od stęŜenia dodatku stopowego w roztworze. Efektyw-
ne względne umocnienie na jednostkę koncentracji składnika stopowego
jest większe dla roztworów międzywęzłowych, związane jest to z rodza-
jem i wielkością odkształcenia sieci krystalicznej osnowy. Dla obu ro-
dzajów roztworów wraz ze wzrostem stęŜenia roztworu wzrasta napręŜe-
nie styczne niezbędne do uruchomienia dyslokacji.

4.2. Umocnienie wydzieleniowe

Umocnienie  wydzieleniowe  i  dyspersyjne  polega  na  wytworzeniu
w ziarnach  drobnych  cząstek  o  odmiennej  strukturze  krystalograficznej
niŜ osnowa. Obecność faz obcych stanowi źródło znacznego umocnienia
materiału  wynikającego  z  oddziaływania  dyslokacji  z  rozmieszczonymi
w  ziarnie  cząstkami.  Stopień  umocnienia  zaleŜny  jest  od  składu  che-
micznego  cząstki  (rodzaj  wiązania  między  atomami)  ich  wielkości,
liczby  oraz  rozmieszczenia  w  ziarnie.  Ze  względu  na  źródło  powstawa-
nia cząstek wyróŜniamy dwa rodzaje umocnienia:

• wydzieleniowe, w którym cząstki powstają w wyniku obrób-

ki cieplnej stopu (przesycanie i starzenie),

ETODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH

Strona

• dyspersyjne, w którym cząstki wprowadzane są z zewnątrz

w postaci dyspersyjnych cząstek np. Al

lub utleniania

wewnętrznego.

W obu przypadkach wydzielenia rozmieszczone w ziarnie mają odmien-
ną strukturę krystalograficzną niŜ osnowa, są na ogół cząstkami o wyso-
kim module spręŜystości i charakteryzują się duŜą twardością. Dysloka-
cja moŜe pokonać te przeszkody przy napręŜeniu stycznym większym od
krytycznego,  wykorzystując  jeden  z  mechanizmów:  przecinania  cząstek
lub  ich  omijania  z  tworzeniem  wokół nich pętli dyslokacji. Ze  względu
na  częściowe  mocne  wiązania  jonowe  lub  kowalencyjne  występujące
w rozmieszczonych  w  ziarnie  cząstkach  mechanizm  przecinania  jest
utrudniony,  a  bardziej  prawdopodobnym  jest  mechanizm  omijania.
W kolejnym  etapie  omijania  wydzieleń  następuje  połączenie  wygina-
nych  segmentów  dyslokacji,  a  w  konsekwencji  przechodzi  ona  przez
przeszkody,  pozostawiając  wokół  wydzieleń  pętle  dyslokacji.  Wzrost
napręŜenia  stycznego  niezbędnego  do  ominięcia  dyspersyjnych  wydzie-
leń  rozmieszczonych  w  ziarnach,  a  tym  samym  umocnienie  materiału,
moŜna przedstawić za pomocą zaleŜności:

Rysunek 4.1. Umocnienie wydzieleniowe:

a ÷ d) mechanizm omijania wydzieleń z tworzeniem wokół nich pętli

dyslokacji, e) zaleŜność napręŜenia wywołującego odkształcenie

plastyczne od odległości między wydzieleniami wg [2]

OZDZIAŁ

Strona

4.3. Umocnienie przez

rozdrobnienie ziarn

W  polikrystalicznych  materiałach  metalowych  przeszkodami  dla  ruchu
dyslokacji  są  równieŜ  granice  ziarn,  na  których  zachodzi spiętrzanie się
i kotwiczenie dyslokacji.

Granica ziarna stanowi przeszkodę dla ruchu dyslokacji, poniewaŜ orien-
tacja struktur krystalograficznych sąsiadujących ziarn jest róŜna, a niere-
gularne ułoŜenia atomów na granicy zaburza ciągłość płaszczyzn pośliz-
gu pomiędzy ziarnami. Spiętrzenie dyslokacji na granicy ziarna powodu-
je  pojawienie  się  dodatkowego  pola  napręŜeń,  co  w  konsekwencji  jest
kolejnym  czynnikiem  umacniającym  materiał.  Odkształcenie  plastyczne
moŜe być kontynuowane, jeśli napręŜenia osiągną wartość niezbędną do
zainicjowania poślizgu w ziarnie sąsiednim.

Dlatego teŜ im drobniejsze jest ziarno w metalu, tym większy jest efekt
umocnienia stopu i uzyskuje się wyŜsze właściwości wytrzymałościowe
(R

, R

, H) i mniejsze właściwości plastyczne (A, Z). Ze względu na

wielkość ziarn materiały polikrystaliczne dzielimy na: mikrokrystalicz-
ne, ultradrobnoziarniste oraz nanokrystaliczne.

Rysunek 4.2. Zakresy rozmiarów ziarn (krystalitów) polikrystalicznych

metali.

Odkształcenie  plastyczne  (poślizg  dyslokacji)  polikryształu  nie  przebie-
ga równomiernie we wszystkich ziarnach. Poślizg rozpoczyna się w ziar-
nach, w których  płaszczyzny poślizgu są zgodne z kierunkiem działania
napręŜenia  stycznego,  następnie  rozprzestrzenia  się  na  ziarna  z płasz-
czyznami poślizgu zbliŜonymi do kierunku działania napręŜenia styczne-
go, aŜ kolejno obejmuje wszystkie ziarna. Wynika z tego, iŜ przekrocze-
nie granicy plastyczności  nie odbywa się jednocześnie w całej objętości
materiału polikrystalicznego, co znajduje swoje odbicie na wykresie na-

ETODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH

Strona

pręŜenie – odkształcenie w postaci braku wyraźnej granicy plastyczności
(rysunek 3.3).

Potencjał  rozdrobnienia  ziarna,  jako  metody  umocnienia  polikrystalicz-
nych  materiałów  metalicznych  przedstawia  równanie  Halla  –  Petcha
wiąŜących  granicę  plastyczności  z  parametrami  struktury  tradycyjnych
materiałów metalicznych.

−

gdzie:

D – wielkość ziarna (średnia cięciwa),

– granica plastyczności,

– stała,

– stała.

4.4. Umocnienie

odkształceniowe

W procesie odkształcenia pod wpływem napręŜeń zewnętrznych wzrasta
w  materiale  gęstość  dyslokacji.  Dyslokacje,  przy  wzrastającej  gęstości
zaczynają się nawzajem blokować, co prowadzi do zwiększenia napręŜa-
nia  stycznego  niezbędnego  do  ich  uruchomienia.  JeŜeli  w  procesie  od-
kształcania  uruchomionych  jest  jednocześnie  kilka  systemów  poślizgu,
to  dyslokacje  poruszające  się  w  przecinających  się  płaszczyznach  od-
działują  ze  sobą  i  gromadzą się w coraz większych ilościach, a ich roz-
kład w odkształcanym materiale  jest nierównomierny.  Przy duŜych od-
kształceniach prowadzi to do utworzenia struktury komórkowej, w której
wolne od dyslokacji niewielkie objętości metalu oddzielone są od siebie
ś

ciankami splątanych dyslokacji. W strukturze takiej swobodne drogi

ruchu dyslokacji są niewielkie i materiał uzyskuje znaczny wzrost umoc-
nienia. Rezultatem odkształcenia metalu jest jego umocnienie ujawniają-
ce  się  wzrostem  oporu  przy  jego  odkształcaniu.  Oznacza  to,  Ŝe  do
dalszego  odkształcenia  niezbędny  jest  wzrost  napręŜania,  co  widoczne
jest  na  krzywej  napręŜnie  –  odkształcenie  przedstawionej  w  rozdziale
trzecim (rysunek 3.3).

OZDZIAŁ

Strona

Iloraz przyrostu napręŜeń odkształcających i odkształcenia wyznacza
współczynnik umocnienia:

Odkształceniowe umocnienie metalu uzyskiwane jest w temperaturach
niŜszych od temperatury rekrystalizacji określonej poniŜszą zaleŜnością i
nosi nazwę obróbki plastycznej na zimno:

top

rek

gdzie:

rek

– temperaturą rekrystalizacji (w K),

top

– temperatura topnienia metalu,

a – współczynnik, którego wartości wynoszą od 0,1 do 0,2 dla

czystych metali do 0,8 dla stopów wielofazowych.

4.5. Zdrowienie i rekrystalizacja

Umocnienie metali pod wpływem odkształcenia z jednej strony zwiększa
właściwości wytrzymałościowe, a z drugiej obniŜa właściwości plastycz-
ne,  co  niejednokrotnie  jest  zjawiskiem  niekorzystnym  szczególnie  przy
kształtowaniu  wyrobów  przez  obróbkę  plastyczną  na  zimno.  Znaczny
wzrost  gęstości  dyslokacji  moŜe  doprowadzić  do  tak  znacznego  umoc-
nienia, iŜ obrabiany materiał w wyniku pękania ulega zniszczeniu.

Zmianom mikrostruktury spowodowanym odkształceniem materiału pod
wpływem obróbki plastycznej na zimno towarzyszy pojawienie się na-
pręŜeń własnych:

• I rodzaju — submikroskopowych, występujących wewnątrz

ziarn, spowodowanych odkształceniami w obrębie ziarn,

• II rodzaju — mikroskopowych, występujących między ziar-

nami, w wyniku wzajemnych odkształceń ziarn,

• III rodzaju — makroskopowych, spowodowanych nierówno-

miernym odkształceniem na przekroju wyrobu.

ETODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH

Strona

Energia  wydatkowana  na  odkształcenie  plastyczne  zostaje  wydzielona
w postaci ciepła i częściowo zmagazynowana w odkształcanym materia-
le.  Dlatego  teŜ  umocniony  materiał  posiada  wyŜszą  energię  swobodną
wynikającą z występowania w strukturze duŜej ilości dyslokacji i wakan-
sów oraz ograniczonych dróg przemieszczania się dyslokacji. Jest w sta-
nie  metastabilnym,  czyli  dąŜy  do  wydzielenia  nadmiaru  energii.  Przy
duŜych  odkształceniach  wartość  energii  zmagazynowanej  wynosi  ok.
10% energii wydatkowanej w czasie odkształcenia.

Proces powrotu materiału odkształconego na zimno do stanu stabilnego
jest aktywowany cieplnie i dzieli się na dwa podstawowe stadia —
zdrowienie i rekrystalizację.

Zdrowienie jest pierwszym etapem powrotu materiału do stanu równo-
wagi.

Zdrowienie jest procesem aktywowanym cieplnie i obejmuje:

• w temperaturze (0,1¸.0,3)T

– aktywowaną cieplnie migrację

atomów międzywęzłowych i równoczesną migrację wa-
kansów, co prowadzi do zmniejszenia stęŜenia defektów
punktowych,

• w temperaturze większej od 0,3T

przebudowę struktury

poprzez procesy obejmujące anihilację dyslokacji i ich prze-
grupowanie  w  procesie  poligonizacji.  Jednoimienne  dyslo-
kacje  znajdujące  się  w  jednej  płaszczyźnie  poślizgu,
przemieszczając się tworzą ścianki prostopadłe do tej płasz-
czyzny,  co  prowadzi  do  powstania  struktury  mozaikowej
(subziarana),  w  której  ścianki  stają  się  wąskokątowymi
granicami,  oddzielającymi  obszary  materiału  wolne  od
dyslokacji,

W wyniku tego następuje wydzielenie części zmagazynowanej w mater-
iale energii i obniŜenie napręŜeń wewnętrznych. Proces zdrowienia nie
obejmuje powstawania i rozrostu nowych wolnych od defektów ziarn.

Rysunek 4.3. Model przegrupowania dyslokacji w procesie poligonizacji

a) rozkład dyslokacji po zginaniu b) rozkład dyslokacji po poligonizacji

OZDZIAŁ

Strona

Rekrystalizacja jest równieŜ procesem aktywowanym cieplnie przebie-
gającym w temperaturach wyŜszych od T

rek

. Z uwagi na pewne cechy

zmian mikrostruktury zachodzące podczas rekrystalizacji podzielono ją
na: rekrystalizację pierwotną, rozrost ziarn i rekrystalizację wtórną.

Rekrystalizacja pierwotna zachodzi przez tworzenie zarodków nowych
nieodkształconych  ziarn  i  ich  rozrostu.  Proces  ten  polega  na  powstaniu
i migracji szerokokątowych granic ziarn. Przebiega w stanie stałym, a je-
go  siłą  napędową  jest  zmniejszenie  zamagazynowanej  energii  odkształ-
cenia  pozostałej  po  procesie  zdrowienia.  Zarodki  rosnąc  tworzą  nowe
ziarna. Wzrost odbywa się w wyniku przemieszczania się atomów z od-
kształconej  osnowy  do  nowo  utworzonych  ziarn  przez  granicę,  która
zaczyna  się  przemieszczać.  Ruch  jej  powoduje  w  znacznym  stopniu
likwidację  dyslokacji  i  defektów  punktowych.  Proces  rozrostu  ziarn
prowadzi do całkowitej likwidacji odkształconej struktury. Po rekrystali-
zacji w wyniku zmniejszenia gęstości dyslokacji następuje spadek właś-
ciwości  wytrzymałościowych  i  twardości  materiału  oraz  poprawa  jego
właściwości plastycznych. Materiał wraz z odbudową struktury uzyskuje
praktycznie  takie  same  właściwości  jak  przed  procesem  obróbki  plas-
tycznej na zimno.

Do  zainicjowania  rekrystalizacji  niezbędny  jest  pewien  minimalny  sto-
pień zgniotu, zwany zgniotem krytycznym. Przy tej wielkości zgniotu po
rekrystalizacji  uzyskuje  się  maksymalną  wielkość  ziarna,  poniewaŜ
w strukturze  powstała  mała  liczba  zarodków.  Przy  zgniocie  mniejszym
od  krytycznego  rekrystalizacja  nie  zachodzi,  odkształcenie  było  zbyt
małe  do  wytworzenia  zarodków  rekrystalizacji,  tj.  podziaren  o szeroko-
kątowych  granicach.  Zgniot  krytyczny  ma  róŜne  wartości  dla  róŜnych
metali i zawiera się w granicach od kilku do kilkunastu procent.

Wraz ze zwiększaniem stopnia odkształcenia plastycznego na zimno
zwiększa się liczba zarodków i materiał po rekrystalizacji uzyskuje drob-
niejsze ziarno. Stopień zgniotu ma teŜ wpływ na temperaturę rekrystali-
zacji, im większy zgniot, tym materiał magazynuje większą energię od-
kształcenia i tym samym potrzebny jest mniejszy bodziec (niŜsza tempe-
ratura rekrystalizacji) do sprowadzenia układu do stanu równowagi.

Rozrost  ziarna  zachodzi  bezpośrednio  po  zakończeniu  rekrystalizacji
pierwotnej.  Istotą  tego  procesu  jest  ciągły  równomierny  wzrost  średniej
wielkości ziarna. Ziarna większe  rosną kosztem ziarn mniejszych, a siłą
napędową  tego  procesu  jest  zmniejszenie  energii  powierzchniowej
granic ziarn.

ETODY UMACNIANIA MATERIAŁÓW PLASTYCZNYCH

Strona

Rekrystalizacja  wtórna  równieŜ  występuje  po  zakończeniu  rekrystali-
zacji  pierwotnej  i  polega  na  selektywnym  rozroście  niektórych  ziarn
kosztem  innych.  Przebiega  w  wysokich  temperaturach  i  zachodzi
w przypadku,  gdy  po  rekrystalizacji  pierwotnej  występuje  w  strukturze
duŜe  zróŜnicowanie  wielkości  ziarn.  Charakterystyczną  cechą  materiału
o strukturze gruboziarnistej jest wysoka kruchość.

UWAGA
Rozrost ziarna jest zjawiskiem w większości przypadków nieko-
rzystny i naleŜy go unikać. MoŜliwe jest to między innymi przez
rozmieszczenie w strukturze dyspersyjnych wydzieleń, które
przez blokownie migrujących granic, utrzymują drobnoziarnistą
strukturę w wysokich temperaturach.

Odkształcenie przeprowadzone powyŜej T

rek

nie powoduje umocnienia

metalu  i  określane  jest  obróbką  plastyczną  na  gorąco.  Brak  umocnienia
wynika  z  faktu,  Ŝe  w  trakcie  odkształcenia  plastycznego  materiału
w temperaturach  większych  od  T

rek

zachodzi jednocześnie proces zdro-

wienia i rekrystalizacji nazywany zdrowieniem dynamicznym i rekrysta-
lizacją dynamiczną. Daje to moŜliwości uzyskiwania jednorazowo, bez
pośrednich obróbek cieplnych, znacznych odkształceń materiału.

OZDZIAŁ

Strona

5.1. Reguła faz Gibbsa

Budowa  fazowa stopów (rodzaj  i liczba współistniejących faz) w stanie
równowagi  zaleŜna  jest  od  trzech  parametrów:  temperatury,  ciśnienia
oraz  stęŜenia  poszczególnych  składników  (skład  chemiczny).  Do
charakterystyki  układów  wielofazowych  moŜna  zastosować  tzw.  regułę
faz Gibbsa.

REGUŁA FAZ GIBBSA
Mówi ona, Ŝe w danym układzie liczba stopni swobody (S) jest
równa liczbie składników niezaleŜnych (n), pomniejszonej
o liczbę faz (f) plus dwa.

S = n – f + 2

Jako liczbę stopni swobody w danym układzie rozumiemy liczbę nieza-
leŜnych czynników zewnętrznych i wewnętrznych (temperatura, ciśnie-
nie, skład chemiczny), które mogą być dowolnie zmieniane pod warun-
kiem, Ŝe nie wywoła to zmiany liczby faz w układzie.

Dla układu jednoskładnikowego czynnikami fizycznymi wpływającymi
na stan układu są ciśnienie p oraz temperatura T.

Rysunek 5.1. Diagram równowagi fazowej dla układu

jednoskładnikowego

• punkt potrójny:

(S = n – f + 2 = 1 – 3 + 2 = 0 ŕ S = 0), aby zachować
równowagę między fazami Ŝaden z parametrów układu
(p ani T) nie moŜe ulec zmianie,

KŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Strona

• linie równowagi fazowej:

(S = n – f + 2 = 1 – 2 + 2 = 1

→

S = 1) jeden parametr

układu  (p  lub  T)  moŜe  ulec  zmianie  nie  wywołując  zmiany
składu  fazowego.  Zmiana  jednego  parametru  powoduje
samoistną  zmianę  drugiego  z  parametrów  i  układ  pozostaje
w równowadze – nie moŜna zmienić dowolnie (nawet o nie-
wielkie  wartości)  jednocześnie  obu  parametrów  bez  opusz-
czenia linii krzywej równowagi.

• powierzchnie na diagramie:

(S = n – f + 2 = 1 – 1 + 2 = 2

→

S = 2) oba parametry

układu (p i T) mogą w pewnym zakresie ulegać zmianie nie
wywołując zmian w składzie fazowym układu.

Biorąc  pod  uwagę,  Ŝe  przemiany  fazowe  zachodzące  w  metalach  i  ich
stopach  na  ogół  przebiegają  przy  nieznacznych  zmianach  ciśnienia  at-
mosferycznego  przy  opracowaniu  układów  równowagi  pomijany  jest
wpływ  ciśnienia.  Wtedy  zaleŜność  opisująca  regułę  faz  przyjmuje
postać:.

S = n – f + 1

Z analizy reguły faz Gibbsa, dla krzepnięcia czystego metalu przy stałym
ciśnieniu wynika, Ŝe równowaga między fazą stała i ciekłą moŜe istnieć
jedynie w stałej temperaturze. W takim układzie występuje jeden
składnik (n = 1) i dwie fazy: ciekła i stała (f = 2) stąd S = 0, czyli układ
jest niezmienny.

Rysunek 5.2. Krzywa chłodzenia i grzania dla czystego metalu

ze schematem etapów krzepnięcia

Dla układu jednoskładnikowego krzepnięcie przebiega w stałej tempera-
turze.

OZDZIAŁ

Strona

5.2. Dwuskładnikowe układy

równowagi

Układy  równowagi  przy  załoŜeniu  stałego  ciśnienia  są  wykresami
sporządzanymi we współrzędnych prostokątnych, gdzie na osi odciętych
występuje  stęŜenie  składników  stopowych  (w  %  wagowych  lub  atomo-
wych), a na osi rzędnych temperatura (zwykle w °C). Wykresy te sporzą-
dzane są doświadczalnie dla kaŜdego rodzaju dwuskładnikowych stopów
na podstawie analizy termicznej. Polega ona na pomiarze zmiany tempe-
ratury  w  czasie  nagrzewania  (lub  chłodzenia)  stopów  i  rejestracji  krzy-
wych nagrzewania (lub chłodzenia, rysunek 5.2), na których uwidacznia-
ją  się  efekty  cieplne  zachodzące  w  wyniku  przemian  fazowych.  Gdy
zachodzi  przemiana  fazowa,  wydzielane  jest  lub  pochłaniane  ciepło,
które zmienia temperaturę układu i wpływa na przebieg zaleŜności tem-
peratury  od  czasu.  Efekty  cieplne  widoczne  są  w  postaci  odcinków
prostych równoległych do osi odciętych lub zmiany nachylenia krzywej.

Otrzymane układy obrazują stan równowagi stopu, czyli stan, w którym
układ  (zbiór faz) w danej temperaturze ma najniŜszą energię swobodną.
W  takiej  sytuacji  stop  nie  ma  tendencji  do  zmiany  składu  fazowego
w funkcji  czasu.  Wykresy  równowagi  fazowej  opracowywane  są  przy
bardzo wolnych zmianach temperatury, poniewaŜ do ustalenia równowa-
gi termodynamicznej układu (zbioru faz) wymagany jest długi czas.

W układzie dwuskładnikowym liczba stopni swobody moŜe przyjmować
następujące wartości:

• S = 0 – układ jest wtedy niezmienny, co oznacza, Ŝe aby

zachować równowagę między fazami nie moŜna zmienić
Ŝ

adnego z czynników (stęŜania Ŝadnej z faz ani

temperatury),

• S = 1 – układ jest jednozmienny, co oznacza, Ŝe nie narusza-

jąc równowagi między fazami moŜna w pewnym zakresie
zmienić albo stęŜenie jednej z faz albo temperaturę,

• S = 2 – układ jest dwuzmienny, co oznacza, Ŝe nie naru-

szając równowagi między fazami moŜna zmienić w pewnym
zakresie dwa czynniki (stęŜenie jednej z faz i temperaturę
albo przy stałej temperaturze stęŜenie dwóch faz układu).

KŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Strona

W układach dwuskładnikowych znajdujących się pod stałym
ciśnieniem proces krystalizacji moŜe przebiegać w stałej
temperaturze lub w pewnym zakresie temperatur.

Gdy z roztworu ciekłego dwóch metali krystalizuje jedna faza stała, (np.
roztwór  stały  ciągły),  wtedy  S  =  1  (S  =  n  –  f  +  1  =  2  –  2  +1  =  1)  i  na
krzywej  chłodzenia  (rysunek  5.3–1)  widoczne  są  dwa  załamania  (bez
przystanku  temperaturowego),  czyli  stop  krystalizuje  w  pewnym  zakre-
sie  temperatur.  Punkty  odpowiadające  temperaturom  początku  krystali-
zacji,  naniesione  na  układ  równowagi  fazowej  w  układzie  współrzęd-
nych  temperatura  i  stęŜenie,  tworzą  linię  likwidus,  natomiast  końca
krystalizacji  linię  solidus.  Obszar  pomiędzy  linią  likwidusu  i  solidusu,
jest  obszarem  równowagi  fazowej  współistnienia  roztworu  ciekłego  i
roztworu  w  stanie  stałym.  Z  warunku  S  =1  wynika,  iŜ  zmiana  tempera-
tury  powinna  pociągać  za  sobą  samoistną zmianę  stęŜenia faz będących
w równowadze.

Układ równowagi fazowej z nieograniczoną rozpuszczalnością
składników w stanie stałym

Na rysunku 5.3 przedstawiono układ równowagi z nieograniczoną roz-
puszczalnością składników w stanie ciekłym i stałym.

Rysunek 5.3. Układ równowagi fazowej dla pierwiastków

z nieograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym oraz krzywe

chłodzenia: 1) – stopu o składzie C0, 2) - czystego metalu B

Symbole układu oznaczają odpowiednio L – fazę ciekłą, A i B – czyste
składniki stopu, a – roztwór stały A(B), B(A), C

– zawartość składnika B

OZDZIAŁ

Strona

w fazie

α, C

– zawartość składnika B w cieczy, C

– zawartość

składnika B w rozpatrywanym stopie.

Etapy krzepnięcia układu dwuskładnikowego bez przystanku temperatu-
rowego:

• krzepnięcie pierwszego stopu o składzie, Co (40% składnika

A i 60% składnika B) rozpoczyna się temperaturze T

wyznaczonej przez punkt przecięcia linii pionowej
określającej jego skład z linią likwidus,

• kryształy roztworu stałego

krzepnące w temperaturze T

są bogatsze w składnik A w porównaniu do składu stopu Co.
Skład ich wynosi C

(80%A i 20%B) i wyznaczany jest

przez punkt przecięcia linii wyznaczającej temperaturę T

z linią solidus. Powoduje to pozostawienie nadmiaru skład-
nika B w cieczy,

• w konsekwencji w kolejnych etapach przemiany krystalizuje

ciecz o coraz większym stęŜeniu składnika B i wraz ze zmia-
ną składu cieczy zmienia się temperatura krzepnięcia.
Na przykład w temperaturze T

, pozostała do zakrzepnięcia

ciecz ma skład C

(30% A i 70% B) wyznaczony przez

przecięcie izotermy T

z linią likwidus), a ciekły stop o tym

składzie krystalizuje w temperaturze T

< T

(wyznaczonej

przez przecięcie linii określającej jego skład z linią
likwidus),

• ciągły proces wzbogacania cieczy w składnik B powoduje, iŜ

w  kolejnych  etapach  krzepnięcia  przemianie  ulega  faza  cie-
kła  o  zmiennym  składzie  i  w  konsekwencji  mamy  ciągły
spadek  temperatury  krystalizacji,  a  tym  samym  brak  przy-
stanku temperaturowego na krzywej chłodzenia,

• równowagowe składy faz dla stopu o składzie C

, w tempe-

raturach od T

do T

, wyznaczają punkty przecięcia izoterm

odpowiednio z linią solidus (krzywa KM) dla fazy stałej
i linią likwidus (krzywa NP) dla fazy ciekłej.

Układy równowagi fazowej z przemianą eutektyczną

Na rysunku 5.4 przedstawiono układ równowagi fazowej z eutektyką dla
składników, które w stanie stałym nie tworzą roztworów – brak rozpusz-
czalności w stanie stałym.

KŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Strona

Rysunek 5.4. Układ równowagi fazowej z eutektyką dla składników

niewykazujących rozpuszczalności w stanie stałym oraz krzywa

studzenia dla stopu o składzie eutektycznym

Z układów równowagi moŜna wyznaczyć stan stopu, czyli: rodzaj, liczbę
faz oraz skład chemiczny poszczególnych faz, z jakich składa się stop o
określonym składzie i w określonej temperaturze.

Stan stopu, zaznaczonego na rysunku 5.5 ciągłą linią pionową, określają-
cą jego skład (C0) przedstawiono poniŜej:

Skład chemiczny stopu wynosi 68% składnika B i 32% składnika A
i oczywiście w trakcie chłodzenia nie moŜe ulec zmianie.

Liczbę i rodzaj faz – odczytujemy z układu równowagi dla danej
temperatury:

• w temperaturze T

w równowadze są dwie fazy (L +

) faza

ciekła i roztwór w stanie stałym

– B(A)

• w temperaturze TE w równowadze występują trzy fazy

(L +

• w temperaturze T

stop jest w stanie stałym, a jego struktura

składa się z dwóch faz (

): dwa roztwory w stanie

stałym odpowiednio pierwiastka B w A oraz A w B.

Jak  juŜ  wcześniej  wspomniano  skład  chemiczny  poszczególnych  faz
wyznacza  się  z  punktów  przecięcia  odpowiednich  izoterm  z  liniami
wykresu  równowagi.  W  temperaturze  T

i T

skład chemiczny fazy

ciekłej i stałej wyznaczany jest odpowiednio z przecięcia izotermy z li-
niami likwidus i solidus. Natomiast w temperaturze T

skład chemiczny

OZDZIAŁ

Strona

roztworów stałych wyznaczamy z przecięcia izotermy z liniami granicz-
nej rozpuszczalności składnika stopowego.

Tabela 5.1. Skład fazowy i skład chemiczny poszczególnych faz stopu o
składzie C

w temperaturze T

, T

i T

Temp [

]

Fazy

Oznaczenie

zawartości skł. B

[% wag.]

β1

nieznacznie

większa od

βE

α2

β2

Skład stopu (C

) nie ulega zamianie.

Udział wagowy poszczególnych faz wyznaczany jest z reguły dźwigni,
którą moŜna w prosty sposób wyznaczyć z bilansu masy jednego ze
składników faz będących w równowadze.

W temperaturze T

w równowadze są dwie fazy (L +

), które zawierają

odpowiednio C

składnika B, a zawartość składnika B w stopie

wynosi C

. Bilans masy składnika B moŜna przedstawić zaleŜnością:

(mL + m

β)C0 = mβ Cβ1 + mLCL1

Z przekształcenia bilansu masy otrzymujemy stosunek udziału fazy L do

−

poniewaŜ m

= (1 – m

) po kolejnych przekształceniach otrzymujemy

udział poszczególnych faz:

−

gdzie MN, NP i MP są długościami odcinków zaznaczonych na rysun-
ku 5.5

KŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Strona

W temperaturze T

, a dokładniej w temperaturze nieznacznie większej

od T

, gdy w równowadze są jeszcze dwie fazy (L+

)

– udział poszcze-

gólnych faz wynosi:

= RS/ES, czyli udział procentowy cieczy wynosi L = RS/ES x100%

= ER/ES udział procentowy roztworu

= ER/ES x100%.

W temperaturze T

występują trzy fazy, nie moŜna jednak określić ich

względnych  udziałów.  Brak  moŜliwości  wyznaczenia  równowagowego
składu  faz  dotyczy  linii  poziomych  układu  równowagi  oraz  punktów
określających  temperatury  topnienia  czystych  składników  stopu,  w  któ-
rych w równowadze występują faza ciekła i stała.

W temperaturze T

– udział procentowy poszczególnych faz wynosi:

= GH/FH x100% i

= FG/FH x100%.

Z przedstawionych danych wynika, iŜ krystalizacja stopu o składzie C

początkowo przebiega w zmiennej temperaturze od

do T

co związane

jest ze zmianą składu chemicznego poszczególnych faz będących w rów-
nowadze. Faza ciekła L

zmienia swój skład wzdłuŜ linii likwidus od

stęŜania pierwiastka B równego C

do C

. W temperaturze T

stop

składa

się  z  fazy  ciekłej  i  stałej,  czyli  proces  krystalizacji  nie  został  jeszcze
zakończony.  Pozostała  do  zakrzepnięcia  ciecz  w ilości  określonej  przez
odcinek  RS  ma  skład  eutektyczny.  W równowadze  są  więc  trzy  fazy
(L,

) i dalszy proces krystalizacji aŜ do jego zakończenia, powinien

zgodnie z regułą faz, przebiegać w stałej temperaturze.

Na  podstawie  analizy  układu  równowagi  fazowej  moŜna  określić  nie
tylko  przebieg  przemiany  ciecz  –  ciało  stałe,  ale  równieŜ  przemiany
w stanie  stałym  zachodzącej  w  trakcie  wolnego  grzania  lub  chłodzenia
poszczególnych stopów.

OZDZIAŁ

Strona

Rysunek 5.6. Układ równowagi z eutektyką dla stopów ze wzajemną

rozpuszczalnością składników (A, B) w stanie ciekłym i ograniczoną

rozpuszczalnością w stanie stałym oraz przykładowe krzywe chłodzenia

z opisem przemian

1. Stop o składzie (1) zawierający 95% pierwiastka B i 5 % pier-

wiastka A zaczyna krystalizować w temperaturze T

. Krystali-

zacja przebiega w zmiennej temperaturze z tworzeniem roztwory
stałego

). Po zakończonej krystalizacji stop składa się

kryształów  roztworu  stałego  pierwiastka  A  w  B  (wszystkie  ato-
my pierwiastka A rozmieszczone są w strukturze krystalograficz-
nej  pierwiastka  B)  i  jest  materiałem  jednofazowym.  Przy  dal-
szym  chłodzeniu  nie  zachodzą  juŜ  Ŝadne  przemiany  fazowe.
Stop w temperaturze otoczenia jest stopem jednofazowym

2. Stop o składzie (2) zawierający 85% pierwiastka B i 15% pier-

wiastka A zaczyna krystalizować temperaturze T

. Krystalizacja

przebiega (L

) tak samo jak stopu o składzie (1). Po krystali-

zacji stop na budowę jednofazową roztworu stałego

. Przy dal-

szym  chłodzeniu,  gdy  punkt  określający  stan  stopu  znajduje  się
w  polu  jednofazowym  nie  zachodzą  przemiany.  W  miarę  chło-
dzenia  stop  uzyskuje  temperaturę  wyznaczoną  przez  przecięcie
linii  określającej  jego  skład  i  linii  granicznej  rozpuszczalności
składnika  A  w B.  W  temperaturze  tej  zaczyna  zmniejszać  się
rozpuszczalność składnika A w B do wartości 10% w temperatu-
rze  otoczenia  T

. PoniewaŜ nasz stop ma teraz większą zawar-

tość pierwiastka stopowego (A) niŜ moŜe je rozpuścić pierwias-
tek podstawowy (B), nadmiar pierwiastka stopowego segreguje
w postaci fazy

na granicach ziarn, tworząc obszary o duŜej

jego koncentracji (

) . Stop w temperaturze otoczenia jest

stopem dwufazowym (

KŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Strona

3. Stop o składzie (3) zawierający 65% pierwiastka B i 35% pier-

wiastka A zaczyna krystalizować temperaturze T

. Pierwszy

etap krystalizacji przebiega tak samo jak stopu o składzie (1)
z tworzeniem w zmiennej temperaturze pierwotnych kryształów
fazy

). Wraz z obniŜaniem temperatury faza ciekła L

zmienia swój skład wzdłuŜ linii likwidus i w temperaturze T

uzyskuje skład eutektyczny. Dalszy proces krystalizacji aŜ do
jego zakończenia przebiega w stałej temperaturze T

z jed-

noczesnym tworzeniem dwóch roztworów stałych

). Chłodzenie poniŜej T

, w związku z maleją-

ca rozpuszczalnością składnika A w B, powoduje wydzielanie
z roztworu

nadmiaru pierwiastka A, który segreguje na grani-

cach ziarn, w postaci fazy

(

). Stop w temperaturze

otoczenia jest stopem dwufazowym (

4. Stop o składzie eutektycznym (4) zawierający 40% składnika A

i 60% składnika B, krystalizacje w stałej temperaturze T

z tworzeniem mieszaniny eutektycznej dwóch roztworów stałych

). W związku z malejącą, wraz z obniŜeniem

temperatury, rozpuszczalnością składnika A w B dalsze
chłodzenie stopu (poniŜej T

) powoduje wydzielanie fazy

(

). Stop w temperaturze otoczenia jest równieŜ stopem

dwufazowym (

Układ równowagi fazowej z przemianą perytektyczną

Rysunek 5.7. Układ równowagi fazowej z przemianą perytektyczną

dla składników z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym

oraz przykładowe krzywe studzenia.

OZDZIAŁ

Strona

Kolejny układ równowagi fazowej dla dwóch metali tworzących w sta-
nie stałym roztwory graniczne przedstawiono na rysunku 5.7.

Wynika z niego, Ŝe dla stopów o składzie od C

do C

krystalizacja

przebiega w następujących etapach:

• w pierwszej fazie w zmiennej temperaturze (T

) krysta-

lizuje roztwór stałego

). W temperaturze T

stop

składa się z kryształów roztworu stałego

o stęŜeniu pier-

wiastka B wynoszącym C

oraz pozostałej do zakrzepnięcia

cieczy L

o składzie C

• w drugim etapie krystalizacji zachodzi przemiana cieczy L

i roztworu stałego

w roztwór

o składzie C

. Przemiana

ta nazywana jest przemianą perytektyczną i moŜna ją zapi-
sać L

. Biorą w niej udział trzy fazy i zgodnie z re-

gułą faz Gibbsa układ jest niezmienny i przemiana zachodzi
w stałej temperaturze T

Przemiana perytektyczna nie byłaby moŜliwa gdyby w trakcie jej prze-
biegu nie zachodziła reakcja między cieczą i wcześniej wydzielonymi
kryształami

, polegająca na wzajemnej dyfuzji atomów składnika B

z cieczy do fazy

oraz atomów składnika A z fazy

, przez fazę

, do

cieczy. Pierwsze kryształy fazy

tworzą się na powierzchni kryształów

, a następnie w wyniku dyfuzji składników rozrastają się aŜ do zaniku

cieczy lub fazy

Stopy o stęŜeniu pierwiastka B od C

(stop 1 na rysunku 5.7)

zawierają pewien nadmiar fazy

w stosunku do ilości potrzebnej do

utworzenia w przemianie perytektycznej fazy

. Dlatego

przemiana

kończy się po zaniku cieczy. Stop ma strukturę dwufazową składającą
się z kryształów fazy

i pozostałych (nadmiarowych) kryształów fazy

Rysunek. 5.8. Schemat powstawania mieszaniny perytektycznej wg [6]

W przypadku stopów o stęŜeniu pierwiastka B od C

(stop 2 na

rysunku 5.7) przemiana perytektyczna kończy się po wyczerpaniu krysz-

KŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Strona

tałów fazy

α. Nadmiar cieczy pozostałej do zakrzepnięcia krystalizuje

w zmiennej temperaturze, jako faza

i stop ma strukturę jednofazową.

Na układzie równowagi fazowej, przedstawionym na rysunku 5.7 linie
granicznej rozpuszczalności są pionowe, co wskazuje na stałą graniczną
rozpuszczalność pierwiastka A w B i A w B. Dlatego teŜ po zakończonej
krystalizacji nie będą juŜ zachodziły dalsze przemiany.

Układ równowagi z fazą międzymetaliczną

Rysunek 5.9. Układy równowagi fazowej z a) związkiem

międzymetalicznym, b) wtórnym roztworem stałym

Rysunek  5.9a  przedstawia  układ  równowagi  dla  metali,  które  przy
określonym  stęŜeniu  składników  (n/m)  tworzą  fazę  międzymetaliczną
o innej strukturze krystalograficznej niŜ pierwiastki A i B. Faza ta ozna-
czana jest symbolem  AnBm. Na wykresie reprezentuje ją pionowa linia
określająca jej skład (Rys.5.9a). Linia ta dzieli układ równowagi na dwie
części,  co  daje  nam  moŜliwość  rozpatrywania  dwóch  niezaleŜnych
układów: A – A

oraz A

– B.

Utworzona przez metale A i B faza międzymetaliczna powstaje w proce-
sie krzepnięcia bezpośrednio z cieczy i jest związkiem trwałym, który
podczas ogrzewania topi się bez wcześniejszego rozkładu. Mogą teŜ
powstawać nietrwałe związki międzymetaliczne, które w trakcie krystali-
zacji powstają w wyniku przemiany pertektycznej.

Niejednokrotnie fazy międzymetaliczne powstają w szerszym zakresie
stęŜeń i wtedy na wykresie równowagi fazowej widoczny jest wtórnym
roztwór stały o strukturze związku międzymetalicznego (faza

na rysun-

ku 5.9b).

OZDZIAŁ

Strona

Z przedstawionych przykładów wynika, iŜ dane zawarte w układach
równowagi dają wiele informacji słuŜących do określenia właściwości
stopów z danego układu.

Układy równowagi fazowej przedstawiają w sposób graficzny stan
poszczególnych stopów układu i moŜna na ich podstawie okreslić:

• liczbę i rodzaj faz, z jakich stop jest zbudowany,

• skład chemiczny poszczególnych faz,

• ich udział procentowy.

Parametry te w istotny sposób wpływają na właściwości stopów.

Dodatkowo linie wykresu określają:

• temperatury początku i / lub końca przemian fazowych

(krzepnięcia, zmiany rozpuszczalności, przemiany alotro-
powej, tworzenia faz międzymetalicznych itp.) dla danego
składu stopu,

• przy zmianie temperatury, zmiany składu chemicznego faz

będących w równowadze.

Czyli moŜna na ich podstawie ocenić, jakie przemiany w fazie ciekłej
i stałej zachodzą w stopie w trakcie jego wolnego chłodzenia.

Zmiany  stanu  stopu  określone  na  wykresach  równowagi  fazowej  odpo-
wiadają  warunkom  równowagi  i  nie  uwzględniają  zjawisk  przegrzania
lub przechłodzenia, które w praktyce występują. Dlatego teŜ, poza dany-
mi  uzyskanymi  z  wykresów  równowagi  naleŜy,  uzyskać  informacje  do-
tyczące kinetyki poszczególnych przemian fazowych.

Mimo,  Ŝe rzeczywiste prędkości chłodzenia są często znacznie większe,
to  informacje  uzyskane  z  układów  równowagi  pozwalają  na  określenie
parametrów  obróbek  cieplnych  oraz  świadome  kształtowanie  struktury
stopów, a tym samym kształtowanie ich właściwości.

KŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Strona

5.3. Mechanizm i kinetyka

przemian fazowych

Przemiany fazowe w fazie ciekłej jak i stałej są rezultatem powszechnej
w przyrodzie tendencji kaŜdego układu do osiągnięcia stanu o najniŜszej
energii. W związku z tym siłą napędową przemian fazowych jest róŜnica
energii swobodnej fazy wyjściowej i fazy produktu w określonej
temperaturze, wraŜonej wzorem:

∆G = ∆H – T∆S

gdzie:

∆

H i

∆

S – zmiana odpowiednio entalpii i entropii układu,

T – temperatura.

Rysunek 5.10. Wykresy: energii swobodnej Gibbsa w funkcji temperatury

dla: a) lodu i wody i b) dwóch faz w stanie stałym:

α, β

Jeśli pod wpływem bodźca, np. zmiany temperatury, w układzie o okreś-
lonej energii swobodnej zachodzi przemiana, to układ w nowych warun-
kach  po  przemianie  uzyskuje  mniejszą  wartość  energii  swobodnej.
Ponadto zawsze trwała  jest faza o  mniejszej energii  swobodnej.  W tem-
peraturze  niŜszej  od  T

trwała jest faza

natomiast w temperaturze

wyŜszej od T

trwała jest faza

(rysunek 5.10b).

Z przedstawionych wykresów na rysunku 5.10 wynika, iŜ róŜnica energii
swobodnej, która jest siłą napędową przemiany rośnie wraz ze wzrostem

OZDZIAŁ

Strona

róŜnicy temperatur T

– T

. Istnienie siły napędowej nie gwarantuje jed-

nak zajścia przemiany, muszą równieŜ wystąpić odpowiednie warunki
umoŜliwiające jej przebieg.

Dlatego teŜ istotne jest poznanie mechanizmów przemian zachodzących
w stopach metali.

Przemiany fazowe w metalach i ich stopach obejmują krystalizację oraz
przemiany w fazie stałej.

Przemiany w fazie stałej polegają na przekształceniu danej fazy (lub faz)
w inną fazę (lub fazy) róŜniącą się w stosunku do fazy wyjściowej
strukturą i / lub składem chemicznym.

Przemiany fazowe w stanie stałym zachodzą gdy:

• występuje

zmiana

rozpuszczalności składników w roztworze,

• roztwór stały jest trwały w danej temperaturze i ulega roz-

kładowi podczas chłodzenia lub grzania.

• składniki stopu lub fazy międzymetaliczne mają odmiany

alotropowe.

Mechanizm przemian fazowych zachodzących w stanie stałym moŜe
być:

• dyfuzyjny – wymagający dyfuzji atomów,

• bezdyfuzyjny – polegający na niewielkim przemieszczeniu

atomów z połoŜeń początkowych (najbardziej znanym przy-
kładem  przemiany  bezdyfuzyjnej  jest  przemiana  marten-
zytyczna,  która  zostanie  dokładnie  omówiona  przy  stopach
Fe-C).

Podczas  przemian  fazowych  w  układach  wieloskładnikowych,  prawie
zawsze  faza  wyjściowa  i  faza  produktu  przemiany  róŜnią  się  pomiędzy
sobą  składem  chemicznym.  Dlatego  teŜ  większość  przemian  fazowych
zachodzi z wykorzystaniem mechanizmu dyfuzyjnego składników stopu.
Większość obserwowanych w praktyce przemian fazowych nie zachodzi
jednocześnie  w  całej  objętości  materiału.  W  trakcie  przemiany,  układ
moŜna  podzielić  na  mikroskopowe  obszary,  z  których  pewne  doznały
przemiany,  podczas  gdy  inne  są  jeszcze  przed  przemianą.  Tak,  więc
w początkowej fazie przemiany powstają mikroskopijne obszary, od któ-
rych  rozpoczyna  się  przemiana  i  proces  ten  nazywany  jest  zarodkowa-

KŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Strona

niem. W kolejnym etapie przemiany następuje kontrolowany dyfuzją
rozrost zarodków.

Definicja dyfuzji podaje, iŜ jest to lokalny przepływ materii pod wpły-
wem działania gradientu potencjału chemicznego w kierunku zmniej-
szającego się gradientu stęŜenia.

Zjawisko dyfuzji w ciałach stałych polega na przemieszczaniu rdzeni
atomowych w strukturze materiału. W związku ze zwartym wypełnie-
niem przestrzeni, proces dyfuzji jest bardzo utrudniony i moŜe zachodzić
tylko w skali atomowej.

Współczynnik dyfuzji D równy liczbowo ilości składnika dyfundujące-
go przez jednostkową powierzchnię w jednostce czasu, przy jednostko-
wym gradiencie stęŜenia powodującym dyfuzję jest zaleŜny od tempera-
tury oraz rodzaju materiału, w którym zachodzi dyfuzja.

D = D0 exp(–Q/RT),

gdzie:

–

stała dyfuzji (m

/s) charakterystyczna dla danego materiału (zaleŜy

od rodzaju wiązań międzyatomowych, stopnia wypełnienia sieci krysta-
licznej, itp.).

Q – energia aktywacji dyfuzji (J/mol dyfundujących atomów),

R – uniwersalna stała gazowa ( J/mol K).

Z równania tego wynika, Ŝe współczynnik dyfuzji rośnie wraz ze wzros-
tem temperatury, co oznacza, Ŝe w wyŜszych temperaturach proces dyfu-
zji zachodzi łatwiej, a w niskich moŜe być pomijalnie mały. Związane
jest to z faktem, iŜ średnia energia atomu wynosząca 3kT (k – stała
Boltzmanna), rośnie wraz ze wzrostem temperatury, a tym samym rośnie
prawdopodobieństwo uzyskania przez atom energii równej energii akty-
wacji, która umoŜliwia mu przejście w nowe połoŜenie.

Dyfuzja w materiałach polikrystalicznych zachodzi:

• równolegle do powierzchni – Q

pow.

• przez ziarna krystaliczne – Q

obj.

•

wzdłuŜ granic ziaren – Q

gr.

OZDZIAŁ

Strona

Rysunek 5.11. Drogi i mechanizmy dyfuzji w fazie stałej

a) dyfuzja międzywęzłowa, b) mechanizm wakansowy,

c) mechanizm pierścieniowy

Dyfuzja przez ziarna krystaliczne zachodzi według trzech mechaniŜ-
mów: dyfuzja międzywęzłowa (rysunek 5.11 a), mechanizm wakansowy
(rysunek 5.11 b) i mechanizm pierścieniowy (rysunek 5.11 c)

Wartości współczynników dyfuzji moŜna uszeregować następująco:
D

pow.

> D

gran.

> D

obj.

Wszystkie współczynniki dyfuzji wyraźnie wzrastają wraz ze wzrostem
temperatury, przy czym najszybciej wzrasta wartość D

obj

, co oznacza,

e wraz ze wzrostem temperatury rośnie znaczenie dyfuzji objętościowej

przez ziarna krystaliczne.

Z przedstawianych danych wynika, iŜ na kinetykę przemiany mają
wpływ dwa przeciwstawne czynniki. Rozpatrując przemianę zachodzącą
w trakcie chłodzenia materiału uzyskujemy:

• z jednej strony przy zwiększaniu przechłodzenia (większa

róŜnica temperatur T

– T

), uzyskujemy większą wartość

siły  napędowej  a  tym  samym  większą  szybkość  przemiany
związaną  między  innymi  z  większą  częstością  zarodkowa-
nia.

• z drugiej zaś strony zwiększenie przechłodzenia powoduje

zmniejszenie temperatury a tym samym zmniejszenie zdol-
ności atomów do dyfuzji, co obniŜa szybkości wzrostu nowo
powstałych kryształów.

W wyniku tego uzyskujemy nieliniowy charakter zmiany prędkości
przemiany dyfuzyjnej w funkcji temperatury.

KŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Strona

Rysunek 5.12. Zmiana szybkości przemiany dyfuzyjnej, zachodzącej

w trakcie chłodzenia, w funkcji temperatury

Przy przechłodzeniu T

– T

uzyskujemy maksymalną szybkość prze-

miany. W sytuacji skrajnej, przy bardzo znacznym przechłodzeniu, mo-
Ŝ

emy uzyskać ogromną siłę napędową, natomiast atomy nie będą zdolne

do przemieszczanie się w sieci krystalicznej i w konsekwencji przemiana
nie zajdzie.

Kinetykę  przemian  fazowych  charakteryzuje  się  za  pomocą  wykresów
przedstawiających, dla danej temperatury, zaleŜności objętość powstają-
cej fazy w funkcji czasu (jak na rysunku 5.13). W początkowym okresie
wygrzewania  w  danej  temperaturze,  nie  zachodzi  przemiana  i  na  po-
szczególnych  wykresach  widoczne  są okresy inkubacji niezbędne do  jej
rozpoczęcia (P

). W miarę dalszego wygrzewania w określonej tempera-

turze T

przemiana się rozpoczyna i przebiega aŜ do jej zakończenia

). Z krzywych kinetycznych przenosi się punkty odpowiadające

początkowi przemiany P

oraz punkty odpowiadające końcowi przemia-

ny na wykres u układzie współrzędnych czas (w skali logarytmicznej) –
temperatura. Krzywe na nowo otrzymanym wykresie CTP (czas, tempe-
ratura, przemiana) posiadają kształty litery C. Jedna z nich jest zbiorem
punktów, których współrzędne określają parametry (temperatura, czas),
przy których przemiana się rozpoczyna druga zaś przedstawia parametry,
przy których przemiana się kończy.

Dodatkowo  na  wykresach  CTP  dla  poszczególnych  stali  nanoszone  są
rodzaje  struktur,  jakie  moŜna  otrzymać  w  zaleŜności  od  stopnia  prze-
chłodzenia.  Wykresy  CTP  opracowywane  są  dla  większości  gatunków
stali  w  dwóch  wariantach,  CTP

(przy ciągłym chłodzeniu) oraz CTP

(w warunkach izotermicznych), a dane na nich zawarte słuŜą do projek-
towania procesów obróbki cieplnej.

OZDZIAŁ

Strona

6.1. Układ równowagi Fe-C

Czyste Ŝelazo jest lśniącym, srebrzystym miękkim i stosunkowo trudno-
topliwym metalem o gęstość

= 7,87 Mg/m

Do  technicznych  odmian  Ŝelaza  zalicza  się:  Ŝelazo  chemicznie  czyste,
otrzymywane  przez  redukcję  tlenków,  Ŝelazo  elektrolityczne,  Ŝelazo
karbonylkowe,  otrzymywane  w  postaci  proszku  przez  dysocjację  ter-
miczną  pięciokarbonylku  Ŝelaza  oraz  Ŝelazo  armco  i  svea  otrzymywane
metodami metalurgicznymi.

Tabela 6.1. Własności mechaniczne technicznego Ŝelaza

śelazo elektrolityczne –

zawartość domieszek

(0,02 ÷0,07%)

śelazo karbonylkowe

– zawartość domieszek

(0,01÷0,7%)

Twardość

40÷45 HB

50÷80 HB

Wytrzymałość
na rozciąganie

=180÷250 [MPa]

=200÷270 [MPa]

Granica plastyczności

= 100

÷140 [MPa]

= 90

÷170 [MPa]

WydłuŜenie

= 50

÷ 40 [%]

= 40

30 [%]

Moduł spręŜystości

E = 206000 [MPa]

E = 203000 [MPa]

elazo jest pierwiastkiem występującym w dwóch odmianach krystalo-

graficznych Fe

o strukturze regularnej przestrzenie centrowanej (RPC,

A2) oraz Fe

o strukturze regularnej ściennie centrowanej

(RSC, A1)

dlatego na krzywej chodzenia poza krystalizacją widoczne są równieŜ
przemiany alotropowe.

Odmiana alotropowa Fe

w zakresie temperatur od 20÷768°C charakte-

ryzuje się znaczną przenikalnością magnetyczną i jest zaliczana do ciała
ferromagnetycznych. W temperaturze 768°C traci własności ferromag-
netyczne, nie zmieniając sieci krystalicznej i w zakresie temperatury
770

÷912°C występuje, jako odmiana alotropowa paramagnetyczna.

KRĘCANIE PRĘTÓW O PRZEKROJACH KOŁOWYCH

Strona

Rysunek 6.1. a) Przemiany fazowe w trakcie chłodzenia czystego Ŝelaza

b) zmiana parametru sieci krystalograficznej Ŝelaza w zaleŜności od

temperatury

Jeśli jeden ze składników stopu ma dwie odmiany alotropowe, to bardzo
często w takich układach poza przemianą alotropową występują w stanie
stałym przemiany eutektoidalna i perytektoidalna.

Przemiana alotropowa jest przemianą jednej struktury krystalograficz-
nej na inną (

γγγγ

Przemiana eutektoidalna jest przemianą, w której biorą udział trzy
fazy. Faza stała przemienia się jednocześnie w dwie inne fazy stałe
(

γγγγ

Przemiana perytektoidalna to przemiana, podczas której w czasie
chłodzenia, dwie fazy stałe reagują ze sobą i powstaje jedna – nowa faza
stała (

γγγγ

Podstawą wszelkich rozwaŜań w metaloznawstwie stopów Ŝelaza z wę-
glem jest układ równowagi fazowej Fe – C. Układ ten ma ogromne zna-
czenie praktyczne, poniewaŜ występujące w nim przemiany stanowią

OZDZIAŁ

Strona

podstawę otrzymywania powszechnie stosowanych stopów Ŝelaza z wę-
glem (stali i Ŝeliw) stanowiących 90% udziału masowego wszystkich
metalicznych materiałów konstrukcyjnych.

Wykres ten ma dwie wersje:

• metastabilną odnosząca się do układu Fe – Fe

C (linia

ciągła),

• stabilną – opisującą układ Fe – grafit (linia przerywana).

Wykres Fe – Fe

C odzwierciedla równowagę fazową w stalach oraz su-

rówkach  i  Ŝeliwach  białych,  a  wykres  Fe – grafit  opisuje  równowagę
w stopach  (Ŝeliwach  szarych)  zawierających  węgiel  w  postaci  wolnej  –
grafitu.

PoniewaŜ w rzeczywistych warunkach krystalizacji pierwotnej, stopów
Fe – C, łatwiej tworzy się układ Fe–Fe

C, dlatego został on zbadany

dokładniej  i  jest  stosowany  powszechnie.  Układ  Ŝelazo  węgiel  jest
układem  złoŜonym,  w którym  występują  przemiany  eutektyczna,  pery-
tektyczna i eutektoidalna. Analiza mikrostruktur, jakie tworzą się w tym
układzie  pod  wpływem  zmian  zawartości  węgla  i  zachodzących  prze-
mian  jest  podstawą  wielu  procesów  technologicznych  stosowanych  do
stopów  Fe – C.  Dzięki  tym  przemianom  stosując  róŜne  zabiegi  cieplne
moŜna kształtować i otrzymywać róŜne mikrostruktury, a w konsekwen-
cji wymagane właściwości mechaniczne stopów Ŝelaza.

Składniki fazowe układu Fe–C

Ferryt (

) – Międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe

o strukturze

regularnej przestrzennie centrowanej. Małe rozmiary luk w sieci Fe

są

przyczyną

małej rozpuszczalności węgla. Maksymalna rozpuszczalność

węgla w Ŝelazie wynosi od 0,02% (wag.) w temperaturze przemiany
eutektoidalnej do 0,008% w temperaturze pokojowej. Ferryt jest składni-
kiem miękkim (ok. 80 HB) o stosunkowo niewielkiej wytrzymałości
(R

= 300 MPa) i znacznym wydłuŜeniu (A

= 40%) wg [7].

Austenit (

γγγγ

) – Międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe

o strukturze

regularnej  ściennie  centrowanej.  Stosunkowo  duŜe  rozmiary  luk  sięcio-
wych  umoŜliwiają  znacznie  większą  rozpuszczalność  węgla.  Rozpusz-
czalność  węgla wynosi od 0,8%  w temperaturze przemiany eutektoidal-
nej  do  2,11%  w temperaturze  przemiany  eutektycznej.  Austenit
charakteryzuje  się  dobrymi  właściwościami  wytrzymałościowymi

KRĘCANIE PRĘTÓW O PRZEKROJACH KOŁOWYCH

Strona

(Rm

≈

750MPa, twardość ~ 200HB) oraz bardzo dobrymi plastycznymi

≈

50%) wg [7].

Cementyt (Fe

) – Metastabilny węglik Ŝelaza o strukturze rombowej

z dominującym wiązaniem metalicznym między atomami Fe i kowalen-
cyjnym między atomami Fe i C. Zawartość węgla w cementycie wynosi
6,67% wag. (25% at.). Jest twardą i kruchą fazą (ok. 800 HB), wydziela-
jącą się w trakcie chłodzenia w róŜnych zakresach temperatury jako:

cementyt pierwszorzędowy – podczas krzepnięcia,

cementyt drugorzędowy – wydziela się z austenitu w wyniku malejącej
rozpuszczalności węgla w Fe

wraz z obniŜaniem temperatury oraz jako

jeden ze składników mieszaniny eutektoidalnej,

cementyt trzeciorzędowy – podczas obniŜania temperatury stopu wy-
dziela się z ferrytu wskutek malejącej rozpuszczalności węgla w Fe

wg [7].

Grafit – sieć heksagonalna powstaje w wyniku powiązania heksagonal-
nych warstw atomowych siłami van der Waalsa. Grafit jest bardzo mięk-
ki,  wysoką  wytrzymałość  ma  tylko  wzdłuŜ  równoległych  heksagonal-
nych płaszczyznach, w których występuje wiązanie kowalencyjne. Właś-
ciwości  wytrzymałościowe  grafitu  są  tak  małe,  Ŝe  jego  wydzielenia
traktowane  są,  jako  nieciągłość  metalowej  osnowy  stopu.  O właściwoś-
ciach  stopów z grafitem (Ŝeliwa szare) decyduje kształt, wielkość i roz-
mieszczenie wydzieleń grafitu.

Układ równowagi, którego wykres przedstawiono na rysunku 6.2, opisa-
ny jest fazowo. Na rysunku

oznacza roztwór stały węgla w odmianie

alotropowej Fe

γγγγ

– roztwór stały węgla wodmianie alotropowej Fe

natomiast węglik Ŝelaza oznaczony jest wzorem Fe

C. W temperaturze

otoczenia istnieją tylko dwie fazy:

i Fe

C, których udziały w stopach

zaleŜą od zawartości węgla.

OZDZIAŁ

Strona

Rysunek 6.2. Wykres układu równowagi fazowej Fe – C

W układzie obok przemian alotropowych Ŝelaza zachodzą następujące
przemiany:

• w temperaturze 1496 °C zachodzi przemiana perytektyczna,

w wyniku, której wcześniej powstałe kryształy fazy

reagu-

jąc z roztworem ciekłym L, tworzą kryształy fazy

α + L γ

• w temperaturze 1148 °C roztwór ciekły o składzie takim jak

w punkcie C, krzepnąc, przechodzi w mieszaninę eutektycz-
ną dwóch faz stałych: cementytu (Fe

C) i nasyconego

roztworu stałego

o składzie punktu E:

Fe3C + γE

KRĘCANIE PRĘTÓW O PRZEKROJACH KOŁOWYCH

Strona

• w temperaturze 727°C faza γ o składzie jak w punkcie S

ulega rozpadowi na mieszaninę eutektoidalną złoŜoną z ce-
mentytu (Fe

C) i nasyconego roztworu stałego

o składzie

jak w punkcie P:

γS Fe3C + αP

Przemiana eutektoidalna jest podstawą kształtowania mikrostruktury,
a tym samym właściwości stali.

JeŜeli rozwaŜyć, jako pierwszy, stop o składzie eutektoidalnym (zawiera-
jący 0,8% węgla) i rozpatrzyć przemiany zachodzące podczas chłodzenia
austenitu, to w początkowym okresie chłodzenia zachodzi jednie schło-
dzenie austenitu (obszar jednofazowy – nie zachodzą Ŝadne przemiany).
Z chwilą osiągnięcia przezeń temperatury przemiany eutektoidalnej, aus-
tenit rozpada się w mieszaninę, ułoŜonych na przemian, płytek ferrytu i
cementytu drugorzędowego – zwaną perlitem.

przemiana eutektoidalna (perlityczna)

α + Fe

γ (roztwór węgla w Ŝelazie RSC zawierający 0,8% wag. C)

α (roztwór węgla w Ŝelazie RPC zawierający 0.02% wag. C) +
Fe

C (zawierający 6,67 % wag. C).

Rysunek 6.3. Mikrostruktury oraz krzywa chłodzenie stali eutektoidalnej

OZDZIAŁ

Strona

Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, która składa się z etapu
zarodkowania  i  wzrostu  dyfuzyjnego  nowej  fazy.  Rozpoczyna  ją  za-
rodkowanie  cementytu  na  granicach  ziaren  austenitu.  Zawartość  węgla
w austenicie  zmniejsza  się  na  skutek  rozrastania  się  zarodków  cemen-
tytu, aŜ w końcu austenit podlega przemianie alotropowej Fe

Po zakończeniu przemiany, która odbywa się w stałej temperaturze, na-
stępuje obniŜenie temperatury, któremu, ze względu na zmniejszającą się
rozpuszczalność węgla w ferrycie (ze spadkiem temperatury), towarzy-
szy wydzielanie cementytu trzeciorzędowego.

W  przypadku  stali  podeutektoidalnej  (zawierającej  mniej  niŜ  0,8%  wę-
gla) po początkowym ochładzaniu austenitu w temperaturze odpowiada-
jącej punktowi 1 na rysunku 6.4 zaczyna wydzielać się ferryt z austenitu,
powodując wzrost stęŜenia węgla w Feγ aŜ do zawartości punktu eutek-
toidalnego.  Z  chwilą  osiągnięcia  temperatury  przemiany  eutektoidalnej,
pozostały  austenit  (zawierający  0,8%  węgla)  rozpada  się  w mieszaninę,
ułoŜonych  na  przemian,  płytek  ferrytu  i  cementytu  drugorzędowego  –
zwaną perlitem.

Rysunek 6.4. Mikrostruktury oraz krzywa chłodzenie stali

podeutektoidalnej

KRĘCANIE PRĘTÓW O PRZEKROJACH KOŁOWYCH

Strona

W przypadku stali nadeutektoidalnej (zawierającej powyŜej 0,8% węgla)
po  początkowym  ochładzaniu  austenitu  w  temperaturze  odpowiadającej
punktowi  1  na  rysunku    6.5,  ze  względu  na  zmniejszającą  się  wraz  ze
spadkiem temperatury rozpuszczalność węgla w austenicie, zaczyna wy-
dzielać  się  cementyt  zawierający  6,67%  węgla.  Wraz  z  wydzielaniem
cementytu następuje spadek zawartości węgla w austenicie aŜ do zawar-
tości  odpowiadającej  punkowi  eutektoidalnemu.  Z  chwilą  osiągnięcia
temperatury  przemiany  eutektoidalnej,  austenit  (zawierający  0,8%  wę-
gla) podlega przemianie perlitycznej.

Rysunek 6.5. Mikrostruktury oraz krzywa chłodzenie stali

nadeutektoidalnej

Stal podeutektoidalna składa się z ziaren perlitu i ferrytu, podczas gdy w
stali nadeutektoidalnej z ziaren perlitu w otoczce cementytu. Udział
ferrytu i cementytu jest funkcją „odchylenia” składu stali od punktu
eutektoidalnego i będzie tym większa im bardziej zawartość węgla w Fe
róŜni się od zawartości 0,8%C.

Z przestawionych danych wynika, Ŝe dla dwufazowych stopów Ŝelaza
z węglem (

+Fe

C) moŜna, w zaleŜności od zawartości węgla, uzyskać

roŜne struktury. Na rysunku 6.6 przedstawiono strukturalny układ rów-
nowagi Fe–Fe

KRĘCANIE PRĘTÓW O PRZEKROJACH KOŁOWYCH

Strona

6.2. Przemiany w stopach Fe-C

Przemiana perlityczna

Jak juŜ stwierdzono w rozdziale 5 szybkość przemian dyfuzyjnych w du-
Ŝ

ym stopniu zaleŜna jest od temperatury. Dlatego teŜ kinetykę przemia-

ny perlitycznej wygodnie jest rozpatrzyć na podstawie wykresu CTP.

Rysunek 6.7. Schematyczny wykres CTP dla stali eutektoidalnej wg [13]

Z przedstawionego wykresu CTP wynikają następujące wnioski:

• przemiana austenitu w perlit rozpoczyna się przy pewnym

przechłodzeniu, gdy energia mieszaniny ferrytu i cementytu
stanie się mniejsza od energii swobodnej austenitu,

• przemiana perlityczna wykazuje pewien okres inkubacji,

w którym następuje wstępna dyfuzja węgla w austenicie,

• nieco poniŜej temperatury 723°C okres inkubacji przemiany

austenitu jest bardzo długi, a szybkość przemiany bardzo
mała,

• ze wzrostem stopnia przechłodzenia szybkość przemiany au-

stenitu znacznie wzrasta i osiąga maksimum w temperaturze

OZDZIAŁ

Strona

około 550

°C, w której okres inkubacyjny jest najkrótszy,

a szybkość przemiany maksymalna,

• w miarę dalszego obniŜania temperatury szybkość prze-

miany przechłodzonego austenitu maleje i w temperaturze
około 280

°C istnieje drugi zakres minimalnej szybkości jego

rozkładu,

• poniŜej temperatury M

linie początku i końca przemiany

austenitu zanikają, co wskazuje, Ŝe zachodząca przemiana
austenitu ma inny charakter niŜ w wyŜszych temperaturach.

W temperaturach niŜszych od M

zachodzi bezdyfuzyjna przemiana

austenitu

zwana przemianą martenzytyczną.

Czyli ze względu na charakter zachodzących przemian moŜemy na wy-
kresie wyróŜnić trzy zakresy temperaturowe:

723˚C ÷ 550˚C – przemiana perlityczna,

550˚C

÷ M

(280

°C) – przemian bainityczna,

przemiana martenzytyczna.

Cechy przemiany (dyfuzyjnej) perlitycznej w stopach Fe – C

• atomy przemieszczają się na odległości od 1 do 10

odle-

głości międzyatomowych w wyniku aktywowanego cieplnie
procesu dyfuzji,

• zgodnie z układem równowagi zachodzi zmiana składu che-

micznego faz biorących udział w przemianie,

• zachodzi przy pewnym stopniu przechłodzenia, przy więk-

szym przechłodzeniu powstają drobniejsze płytki perlitu,
wzrost stopnia dyspersji perlitu powoduje wzrost jego twar-
dości oraz właściwości wytrzymałościowych.

• wykazuje okres inkubacji, w którym następuje wstępna dy-

fuzja węgla w austenicie,

• produktem przemiany jest płytkowa mieszanina ferrytu i

cementytu,

• zarodki perlitu powstają na granicach ziaren austenitu

i „wrastają” w metastabilny austenit,

KRĘCANIE PRĘTÓW O PRZEKROJACH KOŁOWYCH

Strona

• moŜe zachodzić w warunkach izotermicznych oraz podczas

ciągłego chłodzenia,

• szybkość przemiany w znacznym stopniu zaleŜna jest od

temperatury,

• zasięg przemiany zaleŜy od czasu i temperatury.

Przemiana bainityczna

Przemiana bainityczna jest równieŜ przemianą dyfuzyjną. Zachodzi przy
duŜym przechłodzeniu austenitu, jednak z zachowaniem znaczącej
dyfuzji węgla. Bainit otrzymuje się przy izotermicznym chłodzeniu stali.

• w temperaturze powyŜej 400°C powstaje bainit górny. Prze-

miana rozpoczyna się od dyfuzji węgla, prowadzącej do jego
segregacji w austenicie. W mikroobszarach o małej zawar-
tości węgla zachodzi przemiana alotropowa Fe

Dzięki  dyfuzji  węgla  do austenitu  zarodki ferrytu rozrastają
się  w  postaci  igieł,  a  na  granicy  fazowej  austenit  –  ferryt
powstają  drobne  wydzielenia  cementytu.  Ferryt  pozostaje
nieznacznie przesycony węglem. Bainit górny w porównaniu
z  drobnym  perlitem  ma  nieznacznie  większą  wytrzymałość
i twardość przy zachowaniu dobrej plastyczności.

• w temp poniŜej 400°C powstaje bainit dolny. Przemiana za-

chodzi podobnie jak w przypadku bainitu górnego, jednak z
powodu bardziej utrudnionej dyfuzji zarodkowanie cementy-
tu odbywa się wewnątrz igieł ferrytu. Im niŜsza temperatura
tym mniej jest cementytu a stopień przesycenia węglem
ferrytu wzrasta. Bainit dolny zwiększa wytrzymałość i twar-
dość przy zachowaniu stosunkowo dobrej plastyczności.

Przemiana martenzytyczna

Przemiana  martenzytyczna  zachodzi  w  wyniku  duŜego  przechłodzenia
austenitu uzyskiwanego przez szybkie chłodzenie. Najmniejsza szybkość
chłodzenia w wyniku, której austenit przechodzi w martenzyt, nazywana
jest  krytyczną  szybkością  chłodzenia.  Prędkość  chłodzenia  musi  być  na
tyle  duŜa,  aby  ominąć  krzywe  CTP  (jak  na  rysunku  6.8).  Przemiana
martezytyczna rozpoczyna się w temperaturze M

przemianą alotropową

OZDZIAŁ

Strona

, ze względu na niską temperaturę, bez udziału dyfuzji

umoŜliwiającej wydzielanie węgla. Martenzyt powstaje na granicach
ziaren austenitu i natychmiast gwałtownie rośnie przyjmując kształt płas-
kich soczewek. Jest, więc on

przesyconym roztworem stałym węgla

w Fe

. Nadmiar węgla w strukturze Fe

zniekształca strukturę Ŝelaza,

tak Ŝe po przemianie martenzyt ma sieć tetragonalną. Atomy węgla loku-
ją się wzdłuŜ jednego kierunku komórki sześciennej rozpychając ją, co
powoduje wzrost objętości właściwej o ok. 2%.

Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniŜanie
temperatury od M

do M

W stałej temperaturze powstawanie marten-

zytu ustaje, poniewaŜ powstałe podczas wzrostu soczewek odkształcenie
płaszczyzn  sieciowych,  powoduje  wzrost  energii  układu  a  tym  samym
zmniejszenie siły napędowej przemiany. Martenzyt ma strukturę iglastą,
poniewaŜ  soczewki  przesyconego  węglem  ferrytu,  w płaszczyźnie  prze-
cięcia (wykonanie zgładu metalograficznego) są podobne do igieł. Mar-
tenzyt  ma  bardzo  dobre  właściwości  wytrzymałościowe  oraz  wysoka
twardość  związane  jest  to  z  powstaniem  drobnej  struktury  iglastej  oraz
duŜym przesyceniem Ŝelaza węglem.

Rysunek 6.8. Schematyczny wykres CTP dla przemiany bezdyfuzyjnej

RSC ŕ RPC w Ŝelazie wg [13]

KRĘCANIE PRĘTÓW O PRZEKROJACH KOŁOWYCH

Strona

Rysunek 6.9. a) Schemat komórki elementarnej Feα i Feγ

b) Schemat przebudowy sieci regularnej ściennie centrowanej w sieć

tetragonalną przestrzennie centrowaną wg [13]

Cechy przemiany (bezdyfuzyjnej) martenzytycznej w stopach
Fe – C

• atomy zmieniają swoje połoŜenie w wyniku rozerwania do-

tychczasowych i tworzenia nowych wiązań atomowych
i przemieszczenia na odległości mniejsze od odległości mię-
dzyatomowych,

• polega na skoordynowanym przemieszczeniu atomów bez

zmiany sąsiedztwa – atomy przemieszczają się jeden po dru-
gim w ściśle określonej kolejności,

• nie zachodzi zmiana składu chemicznego faz biorących

udział w przemianie,

• zwykle nie zachodzi do końca – pozostaje niewielka ilość

austenitu szczątkowego,

• produktem przemiany jest martenzyt o własnościach zaleŜ-

nych od zawartości węgla oraz o objętości właściwej więk-
szej od objętości austenitu,

• pomiędzy sieciami austenitu i martenzytu zachowana jest

cisła zaleŜność orientacji – martenzyt jest koherentny z się-

cią austenitu,

OZDZIAŁ

Strona

• wymaga ciągłego chłodzenia między M

oraz M

• szybkość przemiany nie zaleŜy od temperatury,

• zasięg przemiany zaleŜy jedynie od temperatury.

Przemiany podczas odpuszczania martenzytu

Martenzyt jest strukturą metastabilną, która przy nieznacznym podgrza-
niu zaczyna ulegać przemianom prowadzącym do uzyskania struktur
równowagowych. Odpuszczanie polega na nagrzani wyrobu o strukturze
martenzytycznej do temperatury umoŜliwiającej dyfuzję węgla z marten-
zytu.

• W pierwszym stadium (80÷200°C) z martenzytu wydzielają

się ultradyspersyjne płytki metastabilnego węglika

ε o skła-

dzie chemicznym zapisanym w postaci wzoru stechiome-
trycznego Fe

C–Fe

2.4

C. Tworzenie węglika odbywa się

kosztem zmniejszenia przesycenia martenzytu, dzięki czemu
jego tetragonalność systematycznie maleje. Przemiana
w tym zakresie związana jest ze skurczem próbki. Właści-
wości – duŜa twardości i odporności na ścieranie.

• W zakresie temperatur 200÷300°C, zachodzi dalsze wydzie-

lania węglika

, martenzyt przekształca się w martenzyt re-

gularny oraz przekształcenie pewnej ilości austenitu szcząt-
kowego w martenzyt, czego efektem jest wzrost twardości
o 2

÷3 HRC przy równoczesnym zwiększeniu właściwości

plastycznych. PoniewaŜ objętość właściwa austenitu jest
mniejsza niŜ martenzytu, w tym stadium przemiany obser-
wuje się rozszerzanie się próbki.

• W kolejnym etapie (300÷400°C) zachodzi całkowity zanik

przesycenia Fe

zaś stosunkowo szybka dyfuzja umoŜliwia

równoległe wydzielanie cementytu i przekształcanie węglika

w Fe

C, który jest bardziej stabilny. W ten sposób powsta-

je drobnodyspersyjna mieszanina ferrytu i Fe

• W ostatnim, czwartym stadium odpuszczania, przebiegają-

cym w temperaturze powyŜej 400°C, dokonuje się wzrost
submikroskopowych wydzieleń cementytu, który przybiera
postać sferoidalną. Przy najwyŜszych temperaturach odpusz-

OZDZIAŁ

Strona

102

Właściwości mechaniczne  stopów w duŜej mierze związane są ze struk-
turą  stopów,  (wielkością  ziarna  ich kształtem oraz sposobem rozłoŜenia
faz,  itp.).  Stopy  metali  mogą  charakteryzować  się  strukturą  jedno  lub
dwu fazową. W przypadku stopów jednofazowych podstawowymi czyn-
nikami wpływającymi na właściwości są: wielkość i kształt ziarn, rodzaj,
wielkość, rozmieszczenie i kształt zanieczyszczeń oraz skład chemiczny
ziarn.  W  stopach  dwufazowych  dodatkowymi  czynnikami  wpływający-
mi  na  właściwości  stopu  są:  właściwości  współistniejących  faz,  udział
procentowy  poszczególnych  faz,  wzajemnie  ich  rozmieszczenie,  wiel-
kość, kształt i rozmieszczenie faz międzymetalicznych.

Im  drobniejsze  i  bardziej  równomiernie  rozłoŜone  są  wydzielania  faz
międzymetalicznych  tym  stop  jest  bardziej  wytrzymały.  Na  przykład,
w miarę  zmniejszania  się  średnicy  sferoidalnych  wydzieleń  cementytu
od 2 do 0,2

µm twardość stali węglowych wzrasta odpowiednio od 190

do 400 HB wg [1]. Odpowiedzenie kierowanie czynnikami takim jak
skład chemiczny (dodatki stopowe) oraz obróbka cieplna, wpływającymi
na strukturę stopu pozwala na uzyskiwanie optymalnych właściwości dla
danego zastosowania materiału.

Stopy Ŝelaza z węglem w zaleŜności od zawartości węgla dzielimy na
2 podstawowe grupy:

• stale zawierające do 2 % węgla,

• Ŝeliwa zawierające od 2% do 4,5% węgla.

Stal  –  Jest  przerobionym  plastycznie  technicznym  stopem  Ŝelaza  z wę-
glem  i  innymi  pierwiastkami  zawierający  masowo  więcej  Ŝelaza  niŜ
jakiegokolwiek  innego  pierwiastka  oraz  o zawartości  węgla  w  zasadzie
mniejszej  niŜ  2%.  Ograniczona  liczba stali  chromowych moŜe zawierać
więcej, niŜ 2 %, lecz 2% jest ogólnie przyjętą wartością odróŜniającą stal
od Ŝeliwa.

Stale, w których głównym składnikiem stopowym jest węgiel nazywamy
stalami niestopowymi. Prócz węgla zawierają one równieŜ inne pierwias-
tki pochodzące z rudy i procesów metalurgicznych.

Stale,  do  których  wprowadza  się  świadomie  w  odpowiednich  ilościach
dodatkowe składniki  w celu uzyskania określonych właściwości mecha-
nicznych, fizycznych czy chemicznych nazywamy stalami stopowymi.

PŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI

STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

103

W obu grupach stali pierwiastki, które do ich składu chemicznego prze-
chodzą z rudy i procesów metalurgicznych dzieli się na dwie grupy:
zanieczyszczenia (jak P, S, O

, H

, N

) obniŜające właściwości i dodatki

(domieszki), które wprowadza się w czasie wytopu stali w celu jej odtle-
nienia (Si i Al) i związania siarki (Mn).

Wpływ zawartości węgla na strukturę
i właściwości stali

Na podstawie układu Fe–Fe

C i udziału głównego składnika stopowego

– węgla, stale dzieli się na: stale podeutektoidalne (do 0,8%C), stale
eutektoidalne (0,8%C) i nadeutektoidalne (0,8%÷2,06%C). W zaleŜności
od zawartości węgla stale niestopowe uzyskują struktury:

• stal podeutektoidalna ferrytyczno – perlityczną,

• stal eutektoidalna perlityczną,

• stal nadeutektoidalna perlityczną z cementytem wtórnym.

Przy zawartościach węgla mniejszych od 0,1% stal ma strukturę ferry-
tyczną.

W  stalach  niestopowych  pierwiastkiem  decydującym  o właściwościach
mechanicznych  jest  węgiel.  Wzrost  jego  zawartości  powoduje  powięk-
szenie  się  udziału  cementytu  odpowiedzialnego  za  umocnienie  stopu,
gdyŜ druga faza, występująca w mikrostrukturze, czyli ferryt jest roztwo-
rem  stałym  o  niskich  właściwościach  wytrzymałościowych.  Cementyt
powoduje wzmocnienie stopów Ŝelaza z węglem stanowiąc niejako zbro-
jenie  plastycznej  osnowy  ferrytycznej.  W stalach  podeutektoidalnych
(zawierających 0,02

÷0,8 %C) większa część cementytu występuje w per-

licie, którego udział w strukturze zwiększa się wraz ze wzrostem zawar-
tości węgla  i przy  zawartości 0,8%C w strukturze występuje sam perlit.
Dalszy  wzrost  zawartości  węgla  powoduje  utworzenie  się siatki cemen-
tytu drugorzędowego na granicach ziarn perlitu.

Zmiany  mikrostrukturalne  spowodowane  zwiększeniem  zawartości  wę-
gla  pociągają  za  sobą  wzrost  właściwości  wytrzymałościowych  (rysu-
nek 7.1). Twardość HB wraz ze zwiększaniem zawartości węgla wzrasta.

Wytrzymałość na rozciąganie (R

) rośnie do zawartości węgla ok. 1%,

a powyŜej tej zawartości zaczyna się obniŜać. Przyczyną tego jest poja-

PŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI

STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

105

• i zwiększenia hartowności,

W zaleŜności od ilości i rodzaju pierwiastków stopowych mogą one:

• rozpuszczać się w ferrycie lub austenicie,

• tworzyć z Ŝelazem lub między sobą fazy międzymetaliczne,

• tworzyć węgliki, azotki lub węgliko – azotki,

• występować w stanie wolnym.

Pierwiastki stopowe rozpuszczone w ferrycie lub austenicie wpływają
głównie na:

• właściwości mechaniczne ferrytu i austenitu,

• zmianę temperatur przemian alotropowych Ŝelaza oznacza-

nych A

i A

• szybkość dyfuzji,

• zmianę temperatur początku (M

i końca (M

) przemiany

martenzytycznej,

• przemiany przy odpuszczaniu.

Wpływ pierwiastków stopowych na właściwości ferrytu

Pierwiastki  stopowe  w  stalach  niskostopowych  rozpuszczając  się  w fer-
rycie  tworzą  roztwór  stały  róŜnowęzłowy,  co  powoduje  zniekształcenie
sieci  krystalicznej,  a  tym  samym  umocnienie  roztworowe  i  w  konsek-
wencji  wzrost  właściwości  wytrzymałościowych  i  spadek  właściwości
plastycznych  (rysunek  7.2)  Największy  efekt  umocnienia  wywołują
mangan  i  krzem  nie  powodując  do  zawartości  1%  zmiany  udarności.
Dlatego  teŜ  pierwiastki  te  często  są  składnikami  stali  konstrukcyjnych.
Umocnienie roztworowe pierwiastkami stopowymi stali nie ulega likwi-
dacji  w  wyniku  jej  przegrzania.  Dlatego  teŜ  stale  te  podczas  spawania
lub  pracy  w  podwyŜszonych  temperaturach  (np.  narzędzia  skrawające)
nie tracą swoich właściwości wytrzymałościowych.

– przemiana zachodząca w czystym Ŝelazie w temperaturze 910 °C, a w stopach

oznacza temperaturę, przy której w trakcie chłodzenia rozpoczyna się wydzielanie
ferrytu z austenitu – na rysunku 6.2 linia GS. A

– przemiana zachodząca w czystym

elazie w temperaturze 1390 °C – na rysunku 6.2 linia NJ.

PŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI

STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

107

stali, jako odtleniacz. Tworzy ono w stalach trudnotopliwe tlenki i azot-
ki,  które  w  postaci  bardzo  drobnych  wydzieleń  ułoŜonych  na  granicach
ziarn  skutecznie  hamują  ich  rozrost,  dopóki  nie  ulegną  rozpuszczeniu.
Struktura  drobnoziarnista  zapewnia  wyŜsze  własności  mechaniczne,
szczególnie  rośnie  udarność  i  granica  plastyczności  w  porównaniu  do
struktury gruboziarnistej.  Grube ziarno poprawia natomiast skrawalność
i zwiększa hartowność.

Wpływ dodatków stopowych na przemiany alotropowe Ŝelaza
i strukturę stali stopowych

Dodatki stopowe rozpuszczając się w Ŝelazie w istotny sposób wpływają
na  zmianę  temperatur  przemian  alotropowych  oraz  połoŜenie  punktów
krytycznych układu Fe–C. Wszystkie dodatki stopowe przesuwają punkt
perlityczny  (na  rysunku  6.2  punkt  S)  w  lewo  zmniejszając  tym  samym
stęŜenie  węgla  w perlicie.  Wpływając  z  kolei  na  temperatury  przemian
alotropowych  rozszerzają  lub  zawęŜają  obszar  występowania  odmiany
alotropowej

. Część pierwiastków stopowych obniŜa temperaturę prze-

miany alotropowej A

i zwiększa A

(jak na rysunku 7.3 a). Wraz ze

wzrostem stęŜenia pierwiastka stopowego zakres równowagowy fazy

znacznie  się  zwiększa  aŜ  do  stęŜania,  przy  którym  zanika  przemiana
alotropowa  i austenit  jest  fazą  stabilną  od  temperatury  otoczenia  aŜ  do
temperatury  topnienia.  Tego  rodzaju  układ  mają  pierwiastki,  które
z Ŝelazem tworzą roztwory stałe ciągłe.

Rysunek 7.3. Fragment układu równowagi fazowej Fe – M

a) z otwartym polem austenitu, b) z zamkniętym polem austenitu,

c) z rozszerzonym polem austenitu, wg [6]

Natomiast pierwiastki tworzące graniczne roztwory stałe jedynie rozsze-
rzają zakres austenitu (rysunek 7.3.c). Pierwiastki, które podnoszą tem-
peraturę A

i obniŜają temperaturę A

mają układ równowagi przedsta-

OZDZIAŁ

Strona

108

wiony na rysunku 7.3.b. Przy pewnym zakresie stęŜania pierwiastka
stopowego linie przemian alotropowych łączą się tworząc zamknięte
pole austenitu.

Dlatego teŜ pierwiastki stopowe dzieli się na dwie zasadnicze grupy:

• austenitotwórcze: (Mn , Ni , Co), które rozszerzają zakres

występowania austenitu (rysunek 7.3 a ),

• ferrytotwórcze: (Ti, W, V, Mo, Cr, Al, Si), które ogranicza-

ją zakres występowania austenitu (rysunek 7.3 b).

W  wyniku  oddziaływania  pierwiastków  stopowych  na  połoŜenie  punk-
tów krytycznych oraz temperatury przemian alotropowych struktury stali
stopowych  i  niestopowych  o  tej  samej  zawartości  węgla  mogą  się
w istotny sposób róŜnić.

Struktura  stali  stopowej  jest  zaleŜna  od  rodzaju  i  stęŜenia  pierwiastka
stopowego  oraz  zawartości  węgla.  Przy  niewielkich  zawartościach
pierwiastków  stopowych  równowagowe  struktury  stopów  nie  róŜnią  się
istotnie  od  struktur  z  układu  Fe–Fe3C.  Natomiast  przy  większych
zawartościach  pierwiastków  austenitotwórczych  uzyskujemy  odpowied-
nio ze wzrostem ich stęŜenia struktury półastenityczną będącą mieszani-
ną  austenitu  i  ferrytu  oraz  strukturę  austenityczną.  W  przypadku  pier-
wiastków ferrytotwórczych przy większych stęŜeniach uzyskujemy stale
półferrytyczne i ferrytyczne. Natomiast przy wysokich stęŜeniach węgla
niezaleŜnie  od  stęŜenia  pierwiastków  stopowych  struktura  stali  jest
ledeburytyczna.

Wpływ pierwiastków stopowych na przemianę przechłodzonego
austenitu

Dodatki pierwiastków stopowych mogą obniŜać lub podwyŜszać hartow-
ność. Hartowność znacznie zwiększają: Mn, Mo i Cr, w niewielkim stop-
niu: Si i Ni natomiast zmniejsza Co oraz pierwiastki silnie węglikotwór-
cze.

Wszystkie  pierwiastki  stopowe  rozpuszczone  w  austenicie  (poza  kobal-
tem) zwiększają jego trwałość, co powoduje przesunięcie krzywych CTP
w  prawo,  a  tym  samym  zmniejszenie  prędkości  krytycznej  chłodzenia,
przy której uzyskuje się martenzyt.

Pierwiastki  węglikotwórcze  zwiększają  trwałości  przechłodzonego  au-
stenitu,  a  tym  samy  zwiększają  hartowność,  jeśli  w  trakcie  procesu  au-
stenityzacji  zostały  w  nim  całkowicie  rozpuszczone.  Pierwiastki  te

PŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI

STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

109

oprócz zwiększenia trwałości austenitu zmieniają charakter krzywych
CTP jak na rysunku 7.4.b. Zmiana ta polega na pojawieniu się na wykre-
sie dwóch maksimów szybkości przemiany perlitycznej i bainitycznej,
rozdzielonych obszarem zwiększonej trwałości austenitu.

JeŜeli węgliki pierwiastków stopowych nie zostały rozpuszczone w au-
stenicie to moŜe wystąpić zmniejszenie hartowności.

Rysunek 7.4. Schemat wpływu pierwiastków stopowych na kinetykę

izotermicznej przemiany austenitu: a) dla stali zawierającej dodatki

stopowe, które nie tworzą węglików, b) dla stali zawierającej

węglikotwórcze dodatki stopowe wg [1]

Zmniejszenie trwałości przechłodzonego austenitu jest skutkiem nastę-
pujących czynników:

• austenit jest uboŜszy w składniki stopowe i węgiel, które

występują w strukturze w postaci węglików,

• węgliki spełniają rolę zarodków krystalizacji i tym samy

zwiększają szybkość rozkładu austenitu.

• węgliki hamują rozrost ziarna austenitu, a rozdrobnienie

ziarna zmniejsza hartowność, poniewaŜ zarodki przemiany
dyfuzyjnej powstają na granicach ziarn.

Istotny jest równieŜ wpływ dodatków stopowych na temperaturę począt-
ku (M

)

i (M

) oraz końca przemiany martenzytycznej. Większość pier-

wiastków stopowych, z wyłączeniem aluminium i kobaltu obniŜa tempe-
raturę początku przemiany martezytycznej i zwiększa ilość austenitu
szczątkowego. ObniŜenie temperatury M

do wartości mniejszych od

OZDZIAŁ

Strona

110

°C moŜe uniemoŜliwić otrzymanie struktury martenzytycznej. Taka stal

ochłodzona do temperatury otoczenia zachowa strukturę austenityczną.

Wpływ pierwiastków stopowych na proces odpuszczania

Pierwiastki stopowe zmniejszają szybkość dyfuzji, co powoduje przesu-
nięcie  wydzielania  węglików  podczas  odpuszczania  stali  stopowych  do
wyŜszych temperatur. Opóźnienie procesów dyfuzyjnych jak i utwardze-
nie  ferrytu  przez  dodatki  stopowe  powoduje  zmniejszenie  spadku  twar-
dości ze  wzrostem temperatury odpuszczania w porównaniu do odpusz-
czanych  stali  niestopowych.  Mechanizm  odpuszczania  stali  stopowych,
do temperatury 450

°C jest analogiczny jak stali niestopowych.

W temperaturze 450°C dyfuzja pierwiastków stopowych jest na tyle
duŜa, Ŝe mogą tworzyć się węgliki stopowe zgodnie z jednym z dwóch
mechanizmów: niestabilny w tych warunkach Fe

C ulega rozpuszczeniu

i powstają węgliki węglikotwórczych dodatków stopowych lub teŜ pier-
wiastek stopowy koncentruję się w cementycie, który stopniowo zmienia
się w węglik innego typu np. M

Powstawanie wysoko dyspersyjnych węglików prowadzi do umocnienia
wydzieleniowego stali stopowych.

Zjawisko to określa się mianem twardości wtórnej. Twardość moŜe
wówczas nawet przekroczyć wartość uzyskaną bezpośrednio po
zahartowaniu.

Wpływ węgla i dodatków stopowych
na strukturę i właściwości Ŝeliw

eliwo jest stopem Ŝelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami

stopowymi takimi jak Si, Mn, P, S, Ni, Cr, Cu, Mo, w którym zawartość
węgla wynosi, co najmniej 2÷4 % węgla.

Węgiel obniŜa temperaturę topnienia stopów Ŝelaza, dlatego Ŝeliwa mo-
gą być łatwiej topione niŜ stal. śeliwa stanowią podstawowe stopy Ŝela-
za szeroko stosowane w odlewnictwie i w zaleŜności od składu chemicz-
nego dzielmy je na niestopowe i stopowe.

Natomiast w zaleŜności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróŜnia
się Ŝeliwa:

• białe – węgiel występuje w postaci związanej tj. węglików,

• szare – węgiel występuje w postaci wolnej – grafitu,

PŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI

STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

111

• połowiczne – węgiel występuje w postaci cementytu i grafit.

Nazwa Ŝeliw jest odzwierciedleniem barwy przełomu, który jest jasny i
metaliczny w Ŝeliwie białym oraz szary w Ŝeliwie szarym. Kolor szary
wiąŜe się z obecnością grafitu na przełomie.

śeliwa białe

Strukturę Ŝeliwa białego stanowi ledeburyt (mieszanina eutektyczna
austenitu i Fe

(I)

). Udział węglików Ŝelaza powoduje, Ŝe Ŝeliwa białe są

materiałem  twardym  i  kruchym  oraz  wykazują  złą  skrawalność.  Z  tego
powodu  nie  znalazły  szerokiego  zastosowania.  Stanowią  natomiast  pół-
produkt do otrzymywania Ŝeliwa ciągliwego (węgiel występuje w posta-
ci grafitu), oraz dają moŜliwość wytwarzania Ŝeliwa zabielonego, w któ-
rym  na  powierzchni  otrzymuje  się  Ŝeliwo  białe  natomiast  w rdzeniu
Ŝ

eliwo szare. Strukturę taką moŜna uzyskać przez zwiększenie prędkości

krystalizacji w miejscach, w których planowane jest uzyskanie Ŝeliwa
białego. Otrzymujemy odlewy utwardzane na powierzchni stosowane np.
na wałki rozrządu.

śeliwa z wydzieleniami grafitu

Grafit  w  Ŝeliwach  moŜe  się  tworzyć  bezpośrednio  z  cieczy  w  procesie
krystalizacji  oraz  podczas  przemian  fazowych  zachodzących  w  stanie
stałym. Występowanie określonej postaci węgla zaleŜne jest od szybkoś-
ci chłodzenia. Wolniejsze chłodzenie sprzyja postawaniu fazy równowa-
gowej, czyli grafitu. Istotny wpływ na proces grafityzacji wykazują rów-
nieŜ domieszki zawarte w Ŝeliwach:

• Si i P ułatwiają grafityzację

• Mn i S przeciwdziałają grafityzacji.

Ponadto  fosfor  zwiększa  rzadkopłynność  poprawiając  właściwości  od-
lewnicze  Ŝeliw  i  tworzy  odrębny  składnik  strukturalny,  potrójną
eutektykę  fosforową  zwaną  steadytem,  która  powiększa  twardość  i od-
porność  Ŝeliwa  na  ścieranie,  przy  większej  zawartości  wywołuje  kru-
chość  w  niskiej  temperaturze.  Natomiast  siarka  zmniejsza  rzadkopłyn-
ność, dlatego jej zawartość powinna być ograniczona do 0,12%.

Skłonność do grafityzacji zaleŜna jest teŜ od składników stopowych:

• pierwiastki sprzyjające grafityzacji, to np. Al, C, Ti, Ni,

Cu, pierwiastki (węglikotwórcze), przeciwdziałające grafi-
tyzacji to np: W, Mn, Mo, Cr, V, Mg, Ce, N i H.

PŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI

STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

113

Z kolei zwiększenie w strukturze Ŝeliwa udziału perlitu oraz zwiększenie
jego dyspersji poprawia właściwości wytrzymałościowe. Podstawowym
pierwiastkiem wpływającym na rodzaj osnowy jest węgiel, którego ilość
decyduje o tym czy będzie ona: ferrytyczna (faza miękka 115

÷150 HB),

ferrytyczno – perlityczna, lub perlityczna (faz twarda 220

÷240 HB).

śeliwa szare

eliwa szare mogą mieć strukturę ferrytyczną, ferrytyczno–perlityczną

lub perlityczną z wydzieleniami grafitu w postaci nieregularnych płat-
ków róŜnej wielkości.

eliwa szare charakteryzują się:

• niską wytrzymałością na rozciąganie (R

= 150

÷250 MPa)

i zginanie – wydzielania grafitu tworzą nieciągłości w struk-
turze Ŝeliwa.

• niska plastycznością (A = 0,5÷1%)

• niską wytrzymałością zmęczeniową i małą wraŜliwością na

działanie wad powierzchniowych – krawędzie płatkowych
wydzieleń grafitu tworzą w strukturze Ŝeliwa karby struktu-
ralne,

• zdolnością do tłumienia drgań – niski moduł spręŜystości

grafitu,

• bardzo dobrymi właściwościami ślizgowymi – grafit na po-

wierzchniach współpracujących działa jak „smar” zwiększa-
jąc odporność na zuŜycie; jest to materiał, z którego wyko-
nane elementy nie zacierają się, gdy współpracują ze sobą.

• dobrą obrabialnością ze względu na małe opory oraz łamli-

wy wiór,

• dobrymi właściwościami odlewniczymi: wysoką rzadko-

płynność, dobrą lejnością małym skurczem odlewniczym
(0,6÷1,25%), oraz dobrym wypełnianiem form,

• niską ceną.

eliwa szare są powszechnie stosowanymi materiałami konstrukcyjnymi

w przemyśle maszynowym, budowlanym, kolejowym, samochodowym
(np. korpusy maszyn, płyty fundamentowe, włazy kanałowe, wpusty

OZDZIAŁ

Strona

114

ciekowe, osprzęt do armatury wodociągowej oraz gazowej, pierścienie

tłokowe, bębny hamulcowe, itd.)

Wzrost właściwości wytrzymałości Ŝeliwa szarego moŜna uzyskać przez
zwiększenie  udziału  perlitu  w  osnowie  oraz  rozdrobnienie  wydzieleń
grafitu.  Odmianą  Ŝeliw  szarych  są  Ŝeliwa  modyfikowane,  zawierające
bardzo  drobny  grafit  płatkowy,  dzięki  czemu  ich  wytrzymałość  jest
znacznie wyŜsza niŜ Ŝeliw zwykłych. Rozdrobnienie grafitu uzyskuje się
przez  dodanie  do  Ŝeliwa  przed  odlaniem  tzw.  modyfikatora,  najczęściej
w postaci sproszkowanego Ŝelazokrzemu. Najkorzystniejsze właściwości
wytrzymałościowe ma Ŝeliwo szare modyfikowane o osnowie perlitycz-
nej (R

= 350

÷ 450 MPa)

śeliwa sferoidalne

eliwami sferoidalnymi nazywa się Ŝeliwa, w których grafit powstaje

podczas krzepnięcia w postaci kulkowej. Uzyskuje się je w wyniku
procesu modyfikowania Ŝeliwa szarego o niskiej zawartości siarki i fos-
foru. Proces modyfikacji polega na wprowadzeniu do metalu, bezpośred-
nio przed odlaniem dodatku sferoidyzującego: magnezu lub ceru. Kulista
postać wydzieleń grafitu powoduje zwiększenie:

• właściwości wytrzymałościowych Ŝeliwa,

• wytrzymałości na obciąŜenia dynamiczne,

• ciągliwości.

ObniŜa  natomiast  zdolności  Ŝeliwa  do  tłumienia  drgań.  Aby  zachować
dobre  własności  wytrzymałościowe  i  jednocześnie  nie  stracić  zdolności
do tłumienia drgań opracowano Ŝeliwa wermikularne, w których morfo-
logia grafitu ma postać pośrednią między grafitem płatkowym a grafitem
sferoidalnym.

Struktura osnowy Ŝeliw sferoidalnych, podobnie jak Ŝeliw szarych zwyk-
łych  moŜe  być  ferrytyczna,  ferrytyczno-perlityczna  lub  perlityczna.  Po-
przez zastosowanie obróbki cieplnej moŜna uzyskać teŜ strukturę bainitu
górnego  lub  martenzytu,  co  w  znaczący  sposób  poprawia  właściwości
wytrzymałościowe.  śeliwa  sferoidalne  uzyskują  wysokie  właściwości
wytrzymałościowe  i  plastyczne.  śeliwa  z  osnową  ferrytyczną  uzyskują
R

= 400

÷450 MPa i A = 10÷20%, a z osnową perlityczną

= 600÷900 MPa i A = 3%. Po zastosowaniu hartowania z przemianą

izotermiczną  wytrzymałość  Ŝeliwa  sferoidalnego  osiąga  wartość
1400 MPa.  Wytwarza  się  z  nich  wały  korbowe,  cylindry,  pierścienie
tłokowe, koła zębate, wrzeciona, pierścienie tłokowe, armatury i rury.

PŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI

STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

115

eliwa sferoidalne charakteryzują się:

• bardzo dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi oraz

plastycznymi,

• mniejszą (niŜ Ŝeliwa szare) skłonnością do koncentracji na-

pręŜeń oraz wysoką udarnością,

• dobrą szczelnością,

• dobrą lejnością,

• duŜą skłonnością do powstawania napręŜeń własnych i jam

skurczowych w odlewach.

śeliwo  ciągliwe  jest  Ŝeliwem  otrzymywanym  w  wyniku  długotrwałego
wyŜarzania  grafityzującego  Ŝeliwa  białego.  W  czasie  tego  procesu  ce-
mentyt  ulega  rozkładowi  na  grafit  i  ferryt.  Grafit  Ŝarzenia  wydziela  się
w osnowie w postaci zwartych kłaczkowatych skupień.

Stosowane są dwie metody wytwarzania:

• wyŜarzanie odlewów w atmosferze obojętnej – prowadzi do

rozkładu cementytu, a tym samym do zmiany postaci wystę-
powania węgla,

• wyŜarzanie w atmosferze utleniającej – prowadzi do rozkła-

du cementytu oraz do odwęglenia Ŝeliwa.

W zaleŜności od sposobu wyŜarzania oraz parametrów procesu moŜna
uzyskać:

śeliwo  ciągliwe  czarne  o  strukturze  osnowy  perlitycznej  lub  ferrytycz-
no – perlitycznej z wydzieleniami węgla Ŝarzenia. Grafityzowanie umoŜ-
liwia  uzyskanie  jednakowej  struktury  na  przekroju  odlewu  o  znacznej
grubości. śeliwo ciągliwe czarne stosowane jest na odlewy niewymaga-
jące  większej  wytrzymałości,  takie  jak:  części  maszyn  rolniczych,  ma-
szyn do szycia, artykułów gospodarstwa domowego itp. śeliwo ciągliwe
perlityczne ma zastosowanie na części maszyn silniej obciąŜone.

Właściwości Ŝeliwa ciągliwego czarnego:

• dobre właściwości wytrzymałościowe R

= 300

÷800 MPa

i dobre właściwości plastyczne A = 1÷10%,

• odporność na obciąŜenia dynamiczne,

OZDZIAŁ

Strona

116

• dobra skrawalność,

• jednorodna struktura i twardość w całym przekroju odlewu,

• dobra szczelność.

śeliwo  ciągliwe  białe  (odwęglone).  Struktura  Ŝeliwa  odwęglonego
zmienia  się  na  przekroju  odlewu.  Całkowite  odwęglenie  zachodzi  na
głębokość  mniejszą  od  8  mm  od  powierzchni  odlewu  i  w  warstwie  tej
uzyskuje  się  strukturę  ferrytyczną,  przechodząc  głębiej  w  kierunku
rdzenia  odlewu  uzyskujemy  odpowiednio  strukturę  ferrytyczno  –  perli-
tyczną  i  perlityczną  z  wydzieleniami  węgla  Ŝarzenia.  Dlatego  odwęgla-
niu nie poddaje się odlewów o grubości powyŜej 12 mm. Z powodu jas-
nej barwy przełomu całkowicie odwęglonego, Ŝeliwo nazywane jest Ŝeli-
wem  ciągliwym  białym.  Charakteryzuje  się  dobrą  spawalnością,  oraz
gorszą  obrabialnością  niŜ  Ŝeliwa  ciągliwe  czarne,  dlatego  stosuje  się  je
na  cienkościenne  odlewy  niezbyt  mocno  obciąŜone  i  niewymagające
większej obróbki skrawaniem części maszyn, pojazdów mechanicznych,
artykułów gospodarstwa domowego.

Własności Ŝeliwa ciągliwego białego:

• dobre właściwości wytrzymałościowe R

= 350÷550 MPa

i dobre właściwości plastyczne A = 5

÷10%,

• odporność na obciąŜenia dynamiczne,

• dobra szczelność,

• odporność na działanie czynników korozyjnych,

• dobra spawalność,

• mała odporność na ścieranie.

śeliwa stopowe

eliwami stopowymi nazywa się Ŝeliwa zawierające dodatkowo pier-

wiastki  takie  jak  chrom,  nikiel,  molibden,  aluminium,  tytan,  wanad,
miedź,  wolfram,  bor  lub  zwiększone  ilości  krzemu  i  manganu.  Dodatki
stopowe  wprowadzane  są  w  celu  poprawy  właściwości  uŜytkowych  Ŝe-
liw, a w szczególności polepszeniu: właściwości mechanicznych, odpor-
ności  na  ścieranie,  odporności  korozyjnej  oraz  odporności  na  działanie
wysokich  temperatur.  śeliwa  stopowe  występują  w  trzech  grupach:
Ŝ

aroodporne i Ŝarowytrzymałe, odporne na korozję oraz odporne na

cieranie.

BRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

119

WyŜarzanie

WyŜarzanie  polega  na  nagrzaniu  stali  do  określonej  temperatury,  wy-
grzaniu  w  tej  temperaturze,  a  następnie  studzeniu.  Celem  obróbki  jest
uzyskanie  struktur  zbliŜonych  do  stanu  równowagi.  Temperatura  wy-
grzewania  w  tej  obróbce  moŜe  leŜeć  powyŜej  lub  poniŜej  temperatury
przemiany eutektoidalnej (A

na rysunku 8.2 ).

Szybkość chłodzenia materiału po wygrzewaniu w temperaturze powy-
Ŝ

ej A

musi być stosunkowo nieznaczna, aby podczas chłodzenia, przy

przejściu przez temperatury przemian, miały czas zajść zgodne z równo-
wagą zmiany fazowe.

Rysunek 8.2. Fragment układu równowagi Fe – Fe

C z zaznaczonymi

temperaturami wyŜarzania stali

Wygrzewanie stali w temperaturach wyŜszych od A

prowadzi do prze-

miany perlitu w austenit:

OZDZIAŁ

Strona

120

(α + Fe

C)γ

α (roztwór węgla w Ŝelazie RPC zawierający 0.02% wag. C) +
Fe

C (zawierający 6,67 % wag. C) γ (roztwór węgla w Ŝelazie

RSC zawierający 0,8% wag. C).

Celem austenityzowania jest zwykle otrzymanie moŜliwie jednorodnego
oraz  drobnoziarnistego  austenitu,  co  ma  wpływ  na  przebieg  przemian
podczas  chłodzenia.  Dlatego  przy  wygrzewaniu  stali  do  temperatury
austenityzacji  naleŜy  ściśle  przestrzegać  określonych  temperatur  i cza-
sów  wygrzewania.  Wygrzewanie  w  wyŜszych  temperaturach  jest  nieko-
rzystne ze względu na rozrost ziarn austenitu, których wielkość jest tym
większa  im  wyŜsza  jest  temperatura  austenityzacji  i  dłuŜszy  czas  wy-
grzewania.  Z  kolei  wielkość  ziarn  austenitu  decyduje  o  wielkości  ziarn
stali  po  ochłodzeniu.  Powstanie  struktury  gruboziarnistej  prowadzi  do
zmniejszenia twardości i właściwości wytrzymałościowych stali, dlatego
dąŜy  się  do  zachowania  drobnego  ziarna  austenitu,  aby  zapewnić  drob-
noziarnistą  strukturę  stali  po  ochłodzeniu.  Struktura  drobnoziarnista
w porównaniu  do  struktury  gruboziarnistej  zapewnia  wyŜsze  własności
mechaniczne, szczególnie udarność i granicę plastyczności. Grube ziarno
poprawia natomiast skrawalność i zwiększa hartowność.

WyŜarzanie z przemianą fazowej

WyŜarzanie  ujednorodniające.  Celem  obróbki  jest  wyrównanie,  po-
wstałych  w  wyniku  krzepnięcia,  niejednorodności  składu  chemicznego.
Polega  na  nagrzaniu  materiału  do  temperatury  1000

÷1200 °C

(o ok.100÷200 °C niŜszej od temperatury solidusu), długotrwałym
(ok.15

÷20 h) wygrzaniu w tej temperaturze i następnie powolnym

chłodzeniu.  Prowadzi  to  do  rozrostu  ziarna,  dlatego  konieczna  jest
kolejna  obróbka  umoŜliwiająca  rozdrobnienie  ziarna.  Efektem  ujedno-
rodnienia  jest  niewielkie  obniŜenie  właściwości  wytrzymałościowych  i
polepszenie właściwości plastycznych.

WyŜarzania  normalizujące.  Celem  obróbki  jest  rozdrobnienie  ziarna
i ujednorodnienie  struktury  perlityczno  –  ferrytycznej,  a  tym  samym
poprawa  właściwości  wytrzymałościowych  (R

i R

) Polega na nagrza-

niu stali do temperatury umoŜliwiającej powstanie struktury austenitycz-
nej (30

÷50 °C powyŜej linii GSE), a następnie na powolnym studzeniu

na powietrzu. Stosowane najczęściej do niestopowych stali konstrukcyj-
nych.

WyŜarzanie  zupełne  róŜni  się  od  normalizowania  tylko  sposobem  stu-
dzenia  stali  polegającym  na  powolnym  studzeniu  (zwykle  z  piecem)
Celem  obróbki  jest  uzyskanie  jednorodnej  struktury  zgodnej  z  układem

BRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

121

równowagi Fe–Fe

C, a tym samym zmniejszenie twardości, usunięcie

napręŜeń własnych oraz, poprawa ciągliwości i obrabialności stali.
Stosowana zwykle do stali stopowych.

WyŜarzanie  zmiękczające  –  sferoidyzacja.  Celem  obróbki  jest  sferoi-
dyzacja  cementytu  w  perlicie.  Stal  o  takie  strukturze  ma  minimalną
twardość, dobrą skrawalność oraz podatność na odkształcenia plastyczne
w  czasie  obróbki  plastycznej  na  zimno.  Polega  na  nagrzaniu  stali  do
temperatury  zbliŜonej  do  temperatury  przemiany  eutektoidalnej  (A

)

wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. WyŜarzanie
zmiękczające prowadzone jest dla stali nadeutektoidalnych (juŜ w hu-
tach), polepsza skrawalność i pozwala na uzyskanie w stalach narzędzio-
wych najkorzystniejszej struktury przed hartowaniem.

WyŜarzanie bez przemiany fazowej

WyŜarzanie  rekrystalizujące.  Celem  obróbki  jest  usunięcie  skutków
odkształcenia  plastycznego  na  zimno  –  uzyskanie  drobnego  ziarna
i przywrócenie pierwotnych właściwości stopu.

Zabieg przeprowadza się po obróbce plastycznej na zimno i polega on na
nagrzaniu stopu do temperatury wyŜszej od temperatury początku
rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu.

WyŜarzanie odpręŜające. Celem tego wyŜarzania jest usunięcie naprę-
Ŝ

eń własnych bez wywołania zmian struktury i właściwości. WyŜarzanie

odpręŜające  polega  na  nagrzaniu  wyrobu  do  odpowiedniej  temperatury,
a następnie  wytrzymaniu  w  niej przez czas  od 0,5÷2 h i powolnym stu-
dzeniu.  Stosowane  jest  do  odlewów  staliwnych,  elementów  spawanych
oraz utwardzonych przez odkształcenia plastyczne.

WyŜarzanie  stabilizujące  ma  na  celu  zapewnienie  niezmienności  wy-
miarowej  oraz  zmniejszenie  napręŜeń  własnych.  Przeprowadza  się
w temperaturze do 150°C Najczęściej jest stosowane do narzędzi, spraw-
dzianów,  odlewów  Ŝeliwnych,  itp.  JeŜeli  wyŜarzanie  przebiega  w tem-
peraturze  otoczenia  w  czasie  od  kilku  miesięcy  do  kilku  lat,  to  nosi
nazwę sezonowania.

Ulepszanie cieplne

Hartowanie polega na nagrzewaniu stali do temperatury, w której nastę-
puje wytworzenie struktury austenitu i następnie szybkim chłodzeniu
umoŜliwiającym otrzymanie metastabilnej struktury martenzytycznej.

OZDZIAŁ

Strona

122

Podczas hartowania stali niestopowych oraz stali niskostopowych mater-
iał nagrzewamy do temperatury 30÷

÷50 °C powyŜej linii GSK (rysu-

nek 8.3.).

Rysunek 8.3. Fragment układu równowagi Fe – Fe

C z zaznaczonymi

temperaturami hartowania stali

Stale  nadeutektoidalne  hartuje  się  od  temperatury  przekraczającej
o 30÷50°C  temperaturę  przemiany  eutektoidalnej  (SK),  a  nie  powyŜej
temperatury  wyznaczonej  przez  linię  (SE),  poniewaŜ  rozpuszczenie  ce-
mentytu  w  stalach  stopowych  prowadziłoby  do  obniŜenia  temperatury
hartowania,  a  tym  samym  zwiększenia  ilości  austenitu  szczątkowego.
Dodatkowo  hartowanie  od  niŜszych  temperatur  zmniejsza  napręŜania
własne  i  skłonność  do  pękania  hartowanych  elementów  oraz  wymaga
mniejszego zuŜycia energii i skraca czas obróbki. Stale niestopowe chło-
dzi się głównie w wodzie, natomiast stale stopowe mogą być chłodzone
wolniej,  np.  w  oleju,  a  niekiedy  i  w  powietrzu.  Stale  po  hartowaniu
charakteryzują  się  wysoką  twardością  rzędu  60

÷65 HRC, wysokimi

właściwościami wytrzymałościowymi (R

i R

) oraz niskimi właściwoś-

ciami plastycznymi oraz duŜą kruchością.

Hartowność  jest  zdolnością  stali  do  tworzenia  struktury  martenzytycz-
nej  podczas  chłodzenia  z  temperatury  austenityzacji.  Cechami  hartow-
ności są:

• utwardzalność – podatność stali do hartowania, wyraŜona

najwyŜszą twardością (na powierzchni hartowanego wyro-
by), jaką moŜna osiągnąć w wyniku hartowania,

BRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

123

• przehartowalność – podatność stali do utwardzania się,

w głąb przekroju pod wpływem hartowania.

Za strefę zahartowaną przyjmuje się objętości zawierającą, co najmniej
50% martenzytu. Twardość strefy półmartenzytycznej (zawierającej 50%
martenzytu), określa się mianem twardości krytycznej. Natomiast średni-
ca krytyczna jest średnica pręta, przy której po zahartowaniu w ośrodku
o określonej zdolności chłodzącej uzyskuje się w osiowej części
przekroju strukturę o zawartości martenzytu, nie mniejszą niŜ 50%.

Hartowność stali określa się za pomocą średnic krytycznych, które wy-
znacza się metodami doświadczalnymi, doświadczalno – wykreślnymi
lub obliczeniowymi.

Na hartowność stali wpływają:

• skład chemiczny stali – dodatki stopowe (szczególnie Mn i

Cr) z wyjątkiem kobaltu, jeŜeli są rozpuszczone w austeni-
cie, zwiększają hartowność poprzez zmniejszenie krytycznej
prędkość chłodzenia,

• jednorodności austenitu – im większa jednorodność auste-

nitu tym hartowność stali jest większa, poniewaŜ brak jest
dodatkowych zarodków przyśpieszających rozkład austenitu
w zakresie przemiany perlitycznej,

• wielkości ziarna austenitu – im większe ziarno tym więk-

sza  hartowność.  Wynika  to  z  faktu  zmniejszania  powierz-
chni  granic  ziarn,  które  są  uprzywilejowanymi  miejscami
zarodkowania cementytu.

Proces hartowania moŜna podzielić na:

• zwykłe – polegające na nagrzaniu przedmiotu hartowanego

do temperatury austenityzacji, a następnie szybkiemu stu-
dzeniu, poniŜej temperatury początku przemiany martenzy-
tycznej, aŜ do temperatury otoczenia. Uzyskujemy strukturę
martenzytyczną,

• stopniowe – polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego

do  temperatury  astenityzacji,  a  następnie  chłodzeniu  w ką-
pieli, o temperaturze nieco wyŜszej od temperatury początku
przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperatu-
rze,  w  celu  wyrównania  temperatury  w  całym  przekroju
przedmiotu.  W  drugim  etapie,  następuje  szybkie  studzenie

OZDZIAŁ

Strona

124

do temperatury otoczenia. Uzyskujemy strukturę martenzy-
tyczną. Obróbka zmniejsza napręŜenia własne po hartowa-
niu,

• izotermiczne – przeprowadza się tak samo jak hartowanie

stopniowe  zwiększając  jedynie  czas  wytrzymania  w  kąpieli
aŜ  do  zajścia  przemiany  bainitycznej.  Następnie  chłodzimy
na  powietrzu  do  temperatury  otoczenia.  W  hartowaniu
izotermicznym  nie  powstaje  martenzyt,  lecz  uzyskujemy
strukturę  bainitu  dolnego.  Stal  uzyskuje  właściwości
podobne  do  stali  hartowanej  i  odpuszczanej.  Uzyskujemy
znaczące zmniejszenie napręŜeń hartowniczych,

• powierzchniowe – przeprowadza się nagrzewając jedynie

powierzchnię przedmiotu. Jest rodzajem obróbki powierzch-
niowej, w której uzyskujemy twardą odporną na ścieranie
warstwę powierzchniową i ciągliwy rdzeń.

Odpuszczanie jest drugim etapem ulepszania cieplnego. Zabieg ten po-
lega na nagrzaniu zahartowanego przedmiotu do temperatury  niŜszej od
temperatury przemiany eutektoidalnej i wytrzymaniu w tej temperaturze
przez czas konieczny do zajścia przemiany. Prowadzi to do zmniejszenia
lub  usunięcia  napręŜeń  własnych  oraz  przemian  wywołujących  zmniej-
szenie  twardości  i  właściwości  wytrzymałościowych  (R

, R

) oraz

wzrostu plastyczności (A, Z, KC) stali.

Odpuszczanie przeprowadza się w trzech zakresach
temperaturowych

Odpuszczanie

niskie

przeprowadza

się

zakresie

temperatur

150

÷250°C. Celem zabiegu jest usuniecie napręŜeń hartowniczych

obrabianych elemetów, przy zachowaniu wysokiej twardości i odpornoś-
ci na ścieranie. Struktura stali po niskim odpuszczaniu jest mieszaniną
martenzytu tetragonalnego, wydzielonego węglika i austenitu szczątko-
wego. Stosowane jest do stali narzędziowych i łoŜyskowych.

Odpuszczanie średnie przeprowadza się w zakresie temperatur od
250

÷500°C. Stosowane jest w celu nadania obrabianym elementom

wysokiej granicy spręŜystości oraz duŜej wytrzymałości z jednoczesnym
polepszeniem  ich  właściwości  plastycznych.  Struktura  stali  po  odpusz-
czaniu  średnim  składa  się  z  martenzytu  regularnego  i  wydzielonego
cementytu.

Stosowane jest do stali spręŜynowych oraz konstrukcyjnych.

BRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

125

Odpuszczanie wysokie przeprowadza się w temperaturach wyŜszych od
500°C lecz niŜszych od A

. Celem zabiegu jest otrzymania najbardziej

korzystnych właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, tj. duŜej
udarności i wydłuŜenia przy maksymalnym stosunku R

. Struktura

stali po odpuszczaniu wysokim składa się ze sferoidalnych drobnych
wydzieleń cementytu w osnowie ferrytu zwanej sorbitem. Stosowane jest
głównie do stali konstrukcyjnych. Stal odpuszczana wysoko nadaje się
do obróbki skrawaniem.

Z  odpuszczaniem  wiąŜe  się  zjawisko  spadku  odporności  na  pękanie
nazywane  kruchością  odpuszczania.  Udarność  stali  po  odpuszczaniu
zaleŜna jest od temperatury odpuszczania oraz szybkości chłodzenia. Na
krzywej  udarności  w  funkcji  temperatury  odpuszczania  przedstawionej
na  rysunku  8.4  widoczne  są  dwa  minima:  w  temperaturze  ok.  300  °C
i zakresie  temperatur  ok.  400

÷600 °C Zjawisko to nosi odpowiednio

nazwę:

• kruchości odpuszczania pierwszego rodzaju,

• kruchości odpuszczania drugiego rodzaju.

Kruchość  odpuszczania  pierwszego  rodzaju  powstaje  podczas  odpusz-
czania  stali  niestopowych  i  stopowych,  niezaleŜnie  od  ich  składu  che-
micznego  i  szybkości  chłodzenia  po  odpuszczaniu.  Jest  kruchością  nie-
odwracalną, dlatego naleŜy unikać odpuszczania w tej temperaturze.

Kruchość odpuszczania drugiego rodzaju jest kruchością odwracalną, za-
chodzi powyŜej 500 °C i powolnym chłodzeniu stali stopowych zawiera-
jących nikiel, chrom i mangan.

Rysunek 8.4. Wpływ temperatury odpuszczania i prędkości chłodzenia

po odpuszczaniu na udarność stali wg [1]

OZDZIAŁ

Strona

126

Utwardzanie wydzieleniowe

Utwardzenie  wydzieleniowe,  jak  juŜ  omówiono  w  rozdziale  czwartym,
polega  na  wytworzeniu  w  ziarnach  drobnych  wydzieleń  o  odmiennej
strukturze krystalograficznej niŜ osnowa, które blokują ruch dyslokacji i
tym  samym  zwiększają  właściwości  wytrzymałościowe  stopu.  Utwar-
dzenie  wydzieleniowe  składa  się  z  dwóch  etapów:  przesycania  i starze-
nia. MoŜna go stosować do stali austenitycznych oraz stopów metali nie-
Ŝ

elaznych, które w stanie stałym wykazują wraz z obniŜeniem tempera-

tury malejącą rozpuszczalność składnika stopowego.

Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury o 30÷50°C powy-
Ŝ

ej granicznej rozpuszczalności i wygrzaniu w tej temperaturze w celu

rozpuszczenia wydzielonego składnika (w stalach najczęściej jest to
cementyt), a następnie szybkim chłodzeniu (rysunek 8.5).

Rysunek 8.5. Fragment układu równowagi Fe – Fe

C z zaznaczonymi

temperaturami przesycania

W wyniku szybkiego studzenia rozpuszczony składnik zostaje zatrzyma-
ny  w  roztworze  i  uzyskujemy  metastabilny  przesycony  roztwór  stały.
Stop  ma  strukturę  jednofazową  (rysunek  8.6  b).  W  wyniku  przesycania
poprawiają  się  właściwości  plastyczne  natomiast  nieznacznie  zmniejsza
się wytrzymałość i twardość. Przesycanie jest szeroko stosowane do stali
austenitycznych oraz stopów aluminium.

BRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

127

Rysunek 8.6. Schemat struktury z wielkością i rozmieszczeniem

wydzieleń drugiej fazy a) po wolnym chłodzeniu, b) po szybkim

chłodzeniu – przesycanie, c) po przesycaniu i starzeniu

Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do tempe-
ratury  poniŜej  granicznej  rozpuszczalności  drugiego  składnika,  wygrza-
niu  w  tej  temperaturze  i  powolnym  chłodzeniu.  Podczas  procesu  z  roz-
tworu  przesyconego  wydziela  się  składnik  znajdujący  się  w  nadmiarze
w postaci  dyspersyjnych  faz  rozmieszczonych  w  ziarnie  (jak  na  rysun-
ku 8.6 c).  JeŜeli proces starzenia zachodzi w temperaturze pokojowej to
nosi nazwę starzenia samorzutnego lub naturalnego. Starzenie powoduje
umocnienie  stopu,  czyli  poprawę  właściwości  wytrzymałościowych
i wzrost twardości oraz pogorszenie właściwości plastycznych. Starzenie
w zbyt wysokiej temperaturze powoduje tzw. przestrzenie, następuje ko-
agulacja  wydzielonych  cząstek  powodująca  zmniejszenie  twardości
i wytrzymałości.

Obróbka  cieplno  –  mechaniczna  jest  połączeniem  odkształcenia  plas-
tycznego z obróbką cieplną w taki sposób, aby przemiana fazowa zacho-
dziła  w  warunkach  wzrostu  gęstości  defektów  sieci  wywołanych  od-
kształceniem.  Przez  taki  zabieg  moŜna  uzyskać  wzrost  wytrzymałości
bez jednoczesnego spadku plastyczności.

W zaleŜności od temperatury, w jakiej odkształcamy plastycznie stop
obróbkę cieplno – plastyczną moŜna podzielić na: wysokotemperaturową
i niskotemperaturową.

Najprostszymi rodzajami wysokotemperaturowej obróbki cieplno – plas-
tycznej  w  stalach  są:  hartowanie  elementów  bezpośrednio  po  kuciu  lub
walcowaniu.  Obróbka  cieplna  w  tym  przypadku  polega  na  nagrzaniu
stali  do temperatury austenityzacji i następnie odkształceniu plastyczne-
mu  na  gorąco  (w  temperaturze  wyŜszej  od  temperatury  rekrystalizacji)
i oziębieniu w celu zahartowania stali. Mechanizm obróbka niskotempe-
raturowa  jest  taki  sam  jak  wysokotemperaturowej  z  ta  róŜnicą,  Ŝe  ob-
róbka  plastyczna  odbywa  się  w  temperaturze  niŜszej  od  temperatury
rekrystalizacji.

OZDZIAŁ

Strona

130

InŜynieria powierzchni jest dyscypliną naukową obejmującą następujące
zagadnienia:

• opracowywanie technologii wytwarzania warstw powierzch-

niowych,

• opracowywanie konstrukcji urządzeń do poszczególnych

technologii,

• kształtowanie właściwości przez projektowanie mikrostruk-

tury, składu chemicznego, fazowego, topografii powierzchni
oraz stanu napręŜeń własnych warstw powierzchniowych,

• badanie zjawisk fizykochemicznych biorących udział w two-

rzeniu warstw powierzchniowych,

• badania eksploatacyjne wytworzonych warstw powierzch-

niowych.

Zagadnienia związane z powierzchnią są bardzo istotne z punktu widze-
nia wytrzymałości materiałów. NaleŜy podkreślić, Ŝe ponad 80% uszko-
dzeń materiałów konstrukcyjnych rozpoczyna się na powierzchni produ-
kowanych wyrobów, dlatego bardzo istotne jest doskonalenie ich jakoś-
ci. Jest to bezpośredni powód tworzenia warstw wierzchnich, które pod-
wyŜszają odporność materiału na zewnętrzne obciąŜenia.

Warstwa powierzchniowa określana jest jako część materiału pomiędzy
fizyczną powierzchnią przedmiotu, a rdzeniem materiału. Do warstw po-
wierzchniowych zalicza się zarówno warstwy wierzchnie jak i powłoki.

Warstwa wierzchnia utworzona w wyniku fizykomechanicznych lub fi-
zykochemicznych procesów to część materiału przylegająca do powierz-
chni wraz z powierzchnią, której własności fizyczne i budowa róŜnią się
od reszty materiału, czyli rdzenia.

Natomiast  powłoka  jest  warstwą  materiału  wytworzoną  w  sposób  natu-
ralny  lub  sztuczny,  bądź  teŜ  nałoŜoną  sztucznie  na  powierzchnię przed-
miotu  wykonanego  z  innego  materiału,  w  celu  uzyskania  określonych
właściwości technicznych lub dekoracyjnych.

Wartwy powierzchniowe przedstawiono schematycznie na rysunku 9.1

SZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH

Strona

131

Rysunke 9.1. Schemtayczne przedtsawienie warstw powierzchniowych

wg [14].

Warstwę wierzchnią charakteryzuje szereg czynników.

Struktura geometryczna powierzchni określana przez:

• falistość powierzchni – systematycznie powtarzające się

nierówności, określone małym stosunkiem wysokości fali do
ś

redniego odstępu pomiędzy jej wierzchołkami.

• chropowatość – nierówności powierzchni rzeczywistej o sto-

sunkowo małych odstępach pomiędzy wierzchołkami, któ-
rych wysokość nie przekracza kilku mikrometrów.

• kierunkowość nierówności – przewaŜający kierunek nierów-

ności, zaleŜny od sposobów obróbki,

• wady struktury geometrycznej – odstępstwa w rozmiarach

i kształcie od nierówności typowych dla danej struktury
(rysy, pękniecie, wŜery).

OZDZIAŁ

Strona

132

Rysunek 9.2. Struktura warstwy wierzchniej po azotowaniu jarzeniowym

stopu tytanu.

Stan warstwy wierzchniej określany przez:

• strukturę warstwy – o budowie strefowej (objętość

o określonej cesze) zaleŜnej od stosowanej metody kształto-
wania warstw powierzchniowych. Poszczególne strefy mogą
się wzajemnie przenikać przechodząc jedna w drugą lub teŜ
zajmować wspólnie określoną przestrzeń (rysunek 9.2).

• grubość warstwy wierzchniej – umowna głębokość zalega-

nia  zmian  (np:  mikrotwardości,  napręŜeń  własnych)  jednej
lub teŜ kilku cech warstwy wierzchniej. Zmiana cechy odno-
szona  jest  do  wartości  tej  cechy  w rdzeniu, nazywanej war-
tością graniczną (rysunek 9.3).

• umocnienie warstwy – zwiększenie wytrzymałości po-

wierzchniowej  wskutek  przemian  cieplnych,  chemicznych,
lub mechanicznych,  które powodują zmiany struktury, skła-
du  chemicznego,  odkształcenia  plastycznego  lub  zgniotu
krystalitów w materiale warstwy.

• napręŜenia własne warstwy wierzchniej – napręŜenia, za-

legające w warstwie wierzchniej, które pozostają w niej po
zaprzestaniu działania obciąŜeń zewnętrznych,

OZDZIAŁ

Strona

134

Technologie wytwarzania

Istnieje bardzo wiele metod kształtowania warstw wierzchnich. W zaleŜ-
ności od rodzaju zjawiska zachodzącego w trakcie ich kształtowania
metody te moŜna sklasyfikować w następujących grupach:

• obróbki mechaniczne (nagniatanie, kulkowanie, młotkowa-

nie),

• obróbki cieplno – mechaniczne (natryskiwanie: gazowe, łu-

kowe, plazmowe oraz platerowanie),

• obróbki cieplne (hartowanie powierzchniowe, nadtapianie,

napawanie, natapianie),

• obróbki chemiczne i elektrochemiczne (powłoki z tworzyw

sztucznych i malarskie oraz warstwy galwaniczne i konwer-
syjne),

• metody fizyczne (implantowanie jonów, PVD),

• obróbki cieplno – chemiczne (nasycanie dyfuzyjne niewspo-

magane i wspomagane; CVD).

Warstwy, jakie zostają wytworzone w ramach wymienionych grup, cha-
rakteryzują  się  pewnymi  wspólnymi  cechami  strukturalnymi,  chemicz-
nymi  i  mechanicznymi.  Grubości  warstw  wierzchnich  są  róŜne  i zaleŜą
od  techniki  wytwarzania.  Mogą  osiągać  wartości  od  dziesiątych  części
mikrometra dla warstw implantowanych do kilku milimetrów dla harto-
wanych, czy nagniatanych.

Obróbka mechaniczna

Zaliczamy  do  niej  wszystkie  technologie,  które  zmieniają  stan  warstwy
metodami  mechanicznymi.  Są  to  róŜnego  rodzaju  nagniatania  (naporo-
we, udarowe, detonacyjne), w których nacisk narzędzia lub jego energia
kinetyczna  wykorzystywana  jest  do  odkształcania  warstwy  wierzchniej
na  zimno,  a  tym  samym  do  jej  umocnienia.  Warstwy  te  charakteryzują
się  duŜymi  wartościami  napręŜeń  własnych  oraz  granicy  plastyczności,
a grubość  ich  moŜe  dochodzić  do  kilku  milimetrów.  Nagniatanie  stoso-
wane  jest  najczęściej  do  stopów  Ŝelaza  i  innych  metali  głównie  w  celu
poprawy wytrzymałości zmęczeniowej oraz do obniŜenia chropowatości
powierzchni  (bez  usuwania  materiału)  przez  plastyczne  odkształcenie

SZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH

Strona

135

wywołane naciskiem rolek. Głównym ograniczeniem nagniatania jest
tzw. warunek materiałowy. Nagniatane przedmioty muszą być wykonane
z materiałów umoŜliwiających ich zgniot w temperaturze otoczenia.

Obróbka cieplno – mechaniczna

Metoda natryskiwania cieplnego polega na stopieniu i rozpyleniu meta-
lu  powłokowego  na  drobne  cząstki  w  specjalnym  urządzeniu  –  palniku
(gazowym, łukowym lub plazmowym) do natryskiwania, a następnie na-
daniu  im  takiej  prędkości  przy  wylocie  z  palnika,  aby  uderzając  w po-
krywaną  powierzchnię  uzyskiwały  dobrą  przyczepność.  Przed metalizo-
waniem  prowadzi  się  wstępne  czynności  (wypalanie,  mycie,  piaskowa-
nie,  śrutowanie)  związane  z  uzyskaniem  czystej  powierzchni  o jak  naj-
większym  stopniu  rozwinięcia.  Powstała  powłoka  połączona  jest  z pod-
łoŜem  mechanicznie  siłami  adhezji,  kohezji  (w  pewnych  przypadkach
wiązaniami metalicznymi), bez nadtopienia metalu podłoŜa. Aby popra-
wić wytrzymałość połączenia stosowane jest nakładanie warstw spajają-
cych,  dzięki  którym  między  podłoŜem  i  powłoka  tworzą  się  wiązania
międzyatomowe.

W zaleŜności od uŜytej technologii natryskiwania i urządzenia, nałoŜone
powłoki mogą mieć grubość od 0,01 do 0,5 mm.

Metodą natryskiwania moŜna nakładać róŜne  metale i stopy, które speł-
niają  rolę  powłok  ochronnych,  technicznych  lub  dekoracyjnych.  Naj-
częściej  stosowanymi  materiałami  natryskowymi  są  stale  stopowe,  alu-
minium  i  jego  stopy,  cynk,  cyna,  miedź,  kobalt  chrom,  wolfram,  tytan,
tlenki i węgliki oraz kompozycje róŜnych metali.

Platerowanie – nakładanie na wyroby metalowe cienkich powłok z in-
nych metali przez wytworzenie nacisku na materiał pokrywający w od-
powiednio dobranej temperaturze.

Metal lub stop nakładany na podłoŜe moŜe być w stanie roztopionym al.-
bo w stanie stałym.

Powłoki są nakładane najczęściej metodą:

• walcowania na gorąco, przeciągania, wylewania, odlewania

odśrodkowego, natapiania, napawania, spiekania,

• walcowania na zimno, tłoczenia, przeciągania, platerowania

wybuchem.

OZDZIAŁ

Strona

136

Platery niejednokrotnie składają się z kilku warstw róŜnych metali trwale
połączonych. Celem wytwarzania platerów jest uzyskanie kombinacji
Ŝą

danych właściwości głównie zwiększenia odporności na korozję, rza-

dziej do poprawy właściwości tarciowych, lub specjalnych właściwości
elektrycznych, cieplnych bądź teŜ efektów estetycznych uzyskiwanych
przy niŜszych kosztach niŜ zastosowanie litego materiału.

Najczęściej  plateruje  się  miękką  stal  węglową,  rzadziej  aluminium,
miedź, nikiel  i ich stopy. Jako materiały powłokowe stosuje się stal od-
porną  na  korozję,  miedź,  nikiel,  molibden  i  ich stopy, tantal, tytan  oraz
metale  szlachetne.  Platery  są  produkowane  w  formie  blach,  płyt,  taśm,
rur, prętów i drutów. Grubość nakładanych warstw, zaleŜnie od rodzaju
i przeznaczenia  moŜe  wahać  się  od  1,5  do  15%  grubości  podłoŜa,  co
w praktyce  oznacza,  grubości  od  kilku  mikrometrów  nawet  do  kilku
milimetrów.

Utwardzanie detonacyjne jest to umacnianie metalu przez falę uderze-
niową,  powstającą  w  wyniku  gwałtownego odparowania materiału pod-
łoŜa  pod  działaniem  energii  czynnika  zewnętrznego  (strumień  elektro-
nów, strumień fotonów lub detonacji materiału wybuchowego).

Obróbka plastyczna na gorąco – kucie i walcowanie w temperaturze
wyŜszej niŜ temperatura rekrystalizacji.

Obróbka cieplna

Do  obróbek  cieplnych,  w  których  do  modyfikacji  powierzchni  wyko-
rzystywane  są  zjawiska  (zmiana  struktury,  zmiana  stanu  skupienia)
związane z oddziaływaniem ciepła na powierzchnię materiału zaliczamy:

Hartowanie,  odpuszczanie  i  wyŜarzanie  powierzchni  przeprowadzane
przez  nagrzewanie  warstwy  wierzchniej  metodą  indukcyjną,  płomienio-
wą,  plazmą,  wiązką  lasera  i  in.,  a  następnie  chłodzenie  z  określonymi
szybkościami.  Obróbki  te  prowadzą  do  zmiany  struktury  stopów  metali
jedynie  na  jego  powierzchni,  a  tym  samym  do  zmiany  jej  właściwości.
Cel i sposób prowadzenia obróbek został przedstawiony w rozdziale 8.

Nadtapianie  – topienie warstwy powierzchniowej  przez grzanie lasero-
we,  elektronowe  lub  płomieniowe.  Celem  nadtapiania  jest  wygładzenie
powierzchni  metalowych,  uzyskanie  struktury  amorficznej  lub  uszczel-
nienie  istniejących  powłok.  Uzyskujemy warstwy powierzchniowe o in-
nych właściwościach bez zmiany składu chemicznego.

SZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH

Strona

137

Napawanie  –  pokrywanie  powierzchni  metalu  warstwą  stopiwa  (metal
natopiony  na  powierzchni  techniką  spawalniczą)  tworzącą  powłokę
o własnościach zbliŜonych do podłoŜa, w wypadku stosowania jej w celu
regeneracji,  lub  o  właściwościach  odmiennych  od  podłoŜa,  w  wypadku
zastosowania jej w celu podwyŜszenia trwałości. Napawanie przeprowa-
dza się technikami spawalniczymi, głównie łukowymi i płomieniowymi.

Stapianie  (wypalanie)  – przeprowadzanie  naniesionej na podłoŜe meta-
lowe  („na  sucho”  lub  „na  mokro”),  w  postaci  zawiesiny  sproszkowanej
masy  emalierskiej  do  stanu  zwartej,  silnie  przylegającej  do  podłoŜa,
szklistej,  najczęściej  nieprzezroczystej  powłoki  emalierskiej,  zabezpie-
czającej  przed  korozją  i  podnoszącej walory estetyczne wyrobu.  Stapia-
nie  realizuje  się  przez  wypalanie  masy  emalierskiej  w  temperaturze
850÷950°C.

Obróbki chemiczne i elektrochemiczne

W  metodach  elektrochemicznych  i  chemicznych,  wykorzystuje  się  do
wytwarzania  powłok  nieorganicznych  na  powierzchni  metalu,  albo  do
wygładzania lub do czyszczenia powierzchni metalu – redukcję elektro-
chemiczną lub chemiczną, albo reakcję chemiczną.

Osadzanie metodami elektrochemicznymi i chemicznymi polega na wy-
korzystaniu reakcji chemicznych zachodzących zazwyczaj w ośrodkach
ciekłych, wskutek czego na powierzchni pokrywanego materiału powsta-
je powłoka. RozróŜnia się trzy metody osadzania:

• elektrolityczne – pokrywanie metalu stanowiącego katodę

w procesie elektrolizy, jonami metalu zawartymi w elektroli-
cie ulegającymi redukcji i formującymi powłokę, podczas
przepływu prądu stałego przez elektrolit,

• chemiczne – wytwarzanie powłok z metalu lub stopu w wy-

niku redukcji chemicznej w kąpielach lub przez natrysk na
powierzchnie metali,

• konwersyjne – wytwarzanie na powierzchni metalu szczel-

nej warstwy trudno rozpuszczalnych związków chemicznych
utworzonych z metalu podłoŜa i jonów z roztworu reagują-
cego środowiska, w którym zanurzony jest pokrywany
przedmiot lub który został natryskany.

OZDZIAŁ

Strona

138

Celem osadzania jest poprawa właściwości antykorozyjnych oraz walo-
rów estetycznych wyrobów (oksydowanie stali, barwienie metali).

Polerowanie  ma  na  celu  uzyskanie  gładkości  i  połysku  powierzchni
przedmiotu.  Realizowane  jest  w  elektrolicie  (polerowanie  elektrolitycz-
ne)  lub  kąpieli  chemicznej  (polerowanie  chemiczne)  i  polega  na  selek-
tywnym rozpuszczaniu wierzchołków mikronierówności powierzchni.

Trawienie  jest  to  usuwanie  z  powierzchni  przedmiotu  warstwy  rdzy,
zgorzeliny  lub  tlenków.  Stosuje  się  dwa  rodzaje  trawienia  chemiczne
i elektrolityczne.

Metody fizyczne

Metody  fizyczne  słuŜą  do  wytwarzania  na  powierzchniach  metali  lub
niemetali  powłoki  związanej  z  podłoŜem  adhezyjnie,  a  w  mniejszym
stopniu dyfuzyjnie, bądź teŜ słuŜą do wytworzenia warstwy wierzchniej,
wykorzystując  róŜne  zjawiska  fizyczne,  przebiegające  pod  obniŜonym
ciśnieniem.

Zestalanie fizyczne (schnięcie) polega na przejściu, naniesionego w do-
wolny sposób na podłoŜe, tworzywa powłokowego ze stanu ciekłego
(lub plastycznego) w stan stały, w wyniku odparowania rozpuszczalnika,
w celu wytworzenia powłoki malarskiej.

Metoda PVD (Physical Vapour Deposition)

Fizyczne osadzanie z fazy gazowej polega na kondesacji par substancji
na powierzchni obrabianego wyrobu przy ciśnieniu niŜszym od atmosfe-
rycznego (10

÷10

-5

Pa). W metodzie tej do uzyskania par metali i niemeta-

li wykorzystuje się róŜne procesy fizyczne. Celem procesu jest wytwo-
rzenie cienkich warstw modyfikujących fizyczne i chemiczne
właściwości powierzchni.

Przebieg procesu PVD

• doprowadzenie osadzanego, trudno topliwego metalu do sta-

nu pary przy wykorzystaniu grzania łukowego, oporowego
elektronowego lub laserowego,

• doprowadzenie gazu,

SZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH

Strona

139

• transport par na powierzchnię docelową przy wykorzystaniu

jonizacji elektrycznej par metalu i gazu oraz przyspieszeniu
jonów dodatnich za pomocą pól elektrycznych,

• kondensacja par na zimnym lub nieznacznie podgrzanym

(200

÷500°C) podłoŜu.

Połączenie naniesionej powłoki i podłoŜa ma charakter adhezyjny i zale-
Ŝ

y od czystości podłoŜa, dlatego teŜ stosuje się chemiczne i jonowe me-

tody  oczyszczania  powierzchni.  Głębokość  implantacji  wynosi  od
0,01 mm do 1 mm. Technika ta pozwala stworzyć bardzo zróŜnicowane
proste  i  złoŜone  warstwy,  przy  uŜyciu  najrozmaitszych  pierwiastków
i związków,  które  charakteryzują  się  duŜą  twardością  i  odpornością  na
zuŜycie przez tarcie.

Rodzaje powłok

proste: Al, Cu, Ti, TiC, Ag,

złoŜone:

• stopowe- wieloskładnikowe VN, ZrN, HfN z C

• wielofazowe TiN/Ti2N kompozytowe: TiC/Al2O3

• wielofazowe

• wielowarstwowe: TiC/ TiN/ ZrN

• gradientowe: TiN/ Ti(CN)/ TiC

Obecnie znanych jest kilkadziesiąt odmian i modyfikacji metod PVD,
które róŜnią się między innymi:

• umiejscowieniem strefy otrzymywania i jonizowania par

nanoszonego materiału (oddzielnie lub wspólnie),

• metodą otrzymywania par osadzanych metali lub związków

(odparowanie

termiczne,

sublimacja

temperaturowa,

rozpylanie jonowe i magnetronowe),

• metodą nanoszenia par metalu na podłoŜe (naparowanie,

napylanie jonowe lub platerowanie jonowe, rozpylanie),

• udziałem intensyfikacji procesów nanoszenia warstw przez

metody reaktywne, aktywowane, mieszane.

OZDZIAŁ

Strona

140

Tradycyjne metody PVD przebiegają w temperaturze rzędu 0

÷200°C,

nowoczesne metody PVD w zakresie 350

÷600°C.

Obróbka cieplno – chemiczna

Obróbka cieplno – chemiczna jest procesem polegającym na zamierzonej
dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy powierzchniowej ma-
teriału w celu uzyskania w niej odpowiednich właściwości uŜytkowych.

Dyfuzyjną zmianę składu chemicznego w metalach i ich stopach umoŜli-
wia wędrówka atomów, zachodząca dzięki istnieniu róŜnicy ich stęŜeń,
obecności przestrzeni między atomowych oraz błędów ułoŜenia atomów
w materiałach polikrystalicznych (wakansów, dyslokacji, jak równieŜ
granic ziaren).

WyróŜnia się dwa podstawowe rodzaje nasycania dyfuzyjnego:

• niewspomagane, przebiegające bez udziału dodatkowych

czynników, do którego zaliczamy klasyczne obróbki azoto-
wania i nawęglania stali,

• wspomagane, realizowane z udziałem czynnika przyspiesza-

jącego i aktywującego proces dyfuzyjny.

Procesy wspomagane naleŜą do technik nowej generacji, do których
naleŜą metody CVD (Chemical Vapour Deposition – chemiczne osadza-
nie z fazy gazowej) i PACVD (Plasma Assisted Chemical Vapour
Deposition).

Nasycanie dyfuzyjne niewspomagane

Obróbka  cieplno – chemiczna przeprowadzana jest w środowisku boga-
tym  w  składnik  dyfundujący  do  metalu,  a  ośrodkiem  aktywnym  mogą
być ciała stałe, ciecze lub gazy. Dyfuzyjny proces wzbogacania warstwy
wierzchniej przebiega w trzech etapach:

• dysocjacji w wyniku, której tworzą się aktywne atomy pier-

wiastka dyfundującego, np.

• adsorpcji aktywnych atomów na powierzchni metalu,

SZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH

Strona

141

• dyfuzji zaadsorbowanych atomów do metalu.

W  wyniku  tych  trzech  procesów  powstaje  warstwa  dyfuzyjna,  w  której
stęŜenie  dyfundującego  pierwiastka  osiąga  maksimum  na  powierzchni
i maleje  w  miarę  oddalania  się  od  niej.  Grubość  warstwy  nawęglonej
określa  odległość  od  powierzchni,  w  której  zawartość  węgla  wynosi
0.4%,  taka  zawartość  węgla  umoŜliwia  otrzymanie  po  zahartowaniu
i odpuszczaniu  twardości  52HRC.  Grubość  warstwy  zaleŜy  w  głównej
mierze od temperatury i czasu trwania procesu i wynosi 0,2÷2 mm. Op-
tymalna struktura warstwy nawęglonej zawiera od 0,8 do 1,0% C

Dyfuzja atomów uwarunkowana jest:

• wzajemną rozpuszczalnością metalu i pierwiastka nasycają-

cego,

• dąŜeniem układu do wyrównywania składu chemicznego

w całej objętości,

• ruchami cieplnymi atomów.

Nawęglanie

Nawęglanie  jest  procesem  polegającym  na  dyfuzyjnym  nasycaniu
wierzchniej  warstwy  materiału  węglem  podczas  wygrzewania  wyrobów
w podwyŜszonej temperaturze w ośrodku zawierającym węgiel w posta-
ci atomowej. Celem zabiegu jest uzyskanie wysokiej twardości powierz-
chniowej z zachowaniem elastycznego rdzenia.

Węgiel powstaje wskutek dysocjacji tlenku węgla albo metanu, zgodnie
z reakcjami:

Rozpuszczalność węgla w Feg jest znacznie większa niŜ w Fe

dlatego

nawęglanie stali prowadzi się w temperaturze (820

÷950°C) umoŜliwiają-

cej powstanie struktury austenitycznej.

Przyrost  twardości  spowodowany  wzbogaceniem  warstwy  powierzch-
niowej  w  węgiel  jest  niewielki,  dlatego  zasadniczym  celem  nawęglania
jest  przygotowanie  elementów  do  obróbki  hartowania  i  odpuszczania,
która  zapewnia  wysoką  twardość  powierzchni  przy  zachowaniu  właści-
wości plastycznych rdzenia.

OZDZIAŁ

Strona

142

Po  prawidłowo  wykonanej  obróbce  cieplnej  hartowania  i  odpuszczania
twardość  warstwy  nawęglonej  wynosi  ok.  60  HRC  w  stalach  zwykłych
oraz  55

÷63 HRC w stalach stopowych zaś twardość rdzenia w obu

wypadkach waha się od 30 do 45 HRC.

Wyroby po nasycenia wierzchniej warstwy stopu węglem i obróbce
cieplnej charakteryzują się:

• wysoką twardością na powierzchni (twardość materiału za-

hartowanego zaleŜy od zawartości węgla),

• zwiększoną odpornością zmęczeniową,

• zwiększoną odpornością na zuŜycie ścierne,

• elastycznością rdzenia.

Do nawęglania przeznacza się stale niskowęglowe (0,1

÷0,25%). Wśród

gatunków  stali  przeznaczonych  do  nawęglania  znajdują  się  stale  niesto-
powe  np:  C15E,  C16R  lub  stopowe  z  dodatkiem  chromu  (np.  17Cr3),
chromu  i  manganu  (np.  16MnCr5),  chromu,  manganu  i  niklu
(np. 18NiCr5-4),  chromu  i  niklu  (np.  16NiCrS4)  oraz  chromu,  niklu
i molibdenu  (np.  17NiCrMo6-4).  Sumaryczna  zawartość  pierwiastków
stopowych w tych stalach nie przekracza 3,0%.

Przykładowe wyroby, dla których stosuje się nawęglanie:

• koła zębate,

• wałki rozrządu,

• krzywki sterujące,

• sworznie tłokowe,

• pierścienie i wałki łoŜysk, itp.

Azotowanie

Azotowanie jest rodzajem obróbki cieplno-chemicznej, polegającym na
dyfuzyjnym nasyceniu wierzchniej warstwy materiału azotem. Celem
zabiegu jest:

• uzyskanie bardzo trwałej i odpornej na zuŜycie ścierne wars-

twy wierzchniej elementów obrabianych przy zachowaniu

SZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH

Strona

143

wysokich własności mechanicznych rdzenia – azotowanie
utwardzające,

• zwiększenie właściwości antykorozyjnych stali i Ŝeliw –

azotowanie antykorozyjne.

W związku z tym, Ŝe azotowanie powoduje utwardzenie powierzchni bez
konieczności stosowania obróbki cieplnej oraz, Ŝe cienka, bardzo twarda
warstwa azotowana wymaga znacznie sztywniejszego rdzenia, bo zbyt
łatwe jego dokształcenie prowadziłoby do jej pękania i złuszczania, azo-
towanie prowadzi się na wyrobach, które zostały uprzednio poddane
hartowaniu i wysokiemu odpuszczaniu.

Niezbędny do wytworzenia warstwy dyfuzyjnej azot uzyskuje się w wy-
niku reakcji dysocjacji amoniaku zgodnie z reakcją:

2NH3

2N + 6H

Proces prowadzony jest w piecach ze szczelną retortą o naturalnej lub
wymuszonej cyrkulacji atmosfery w temperaturze 480

÷560°C przez

÷100 h. Uzyskuje się twardą, trudno ścieralną warstwę o grubości

0,1÷0,6 mm. Azotowaniu utwardzającemu poddaje się specjalne stale
stopowe, zawierające pierwiastki tworzące trwałe azotki o wysokiej dys-
persji (AlN, CrN, MoN), które zapewniają zachowanie bardzo wysokiej
twardości stali aŜ do temperatury ok. 500°C.

Azotowaniu utwardzającemu podaje się średniowęglowe stale zawierają-
ce pierwiastki stopowe tworzące dyspersyjne azotki.

• węgiel C = 0,2÷0,45% (węgiel zapewnia optymalne właści-

wości rdzenia),

• pierwiastki stopowe Cr = 1,0÷3,5%, Mo = 0,15÷1,1%,

Al = 0,8

÷1,2%, V= 0,1¸0,25% (w wyniku tworzenia dysper-

syjnych azotków zapewniają maksymalna twardość po-
wierzchni do temperatury 500°C)

Przykładowe gatunki to: 32CrAlMo7–10, 33CrMoV12–9.

Twardość  po  azotowaniu  stali  niestopowych  wynosi  ok.  1100HV,
co wiąŜe  się  z  wytworzeniem  na  powierzchni  fazy  γ’(Fe4N),  a  stali
stopowych  ok.1500HV  na  skutek  utworzenia  azotków  pierwiastków
stopowych (AlN, CrN, MoN) o duŜym stopniu dyspersji.

OZDZIAŁ

Strona

144

Stale te stosuje się głównie na części silników spalinowych, jak np. wały
korbowe, korbowody, sworznie tłokowe, koła zębate, wałki rozrządowe,
pompy paliwowe oraz na narzędzia do obróbki plastycznej, elementy
wytłaczarek, wtryskarek itd.

Azotowanie innych stali stopowych, a takŜe stali węglowych nie zapew-
nia uzyskania tak wysokich twardości warstwy powierzchniowej i stoso-
wane jest jedynie w celu wytworzenia warstwy odpornej na korozję.

Azotowanie antykorozyjne przeprowadza się w temperaturze 600÷800°C
przez 1

÷6 h, uzyskując warstwy o grubości od 0,005÷0,03 mm zawiera-

jące azotek typu

ε–Fe2N.

Azotowanie antykorozyjne stosowane jest na: elementy wykonane ze
stali niestopowych i niskostopowych oraz Ŝeliw np. palniki spawalnicze,
zawory, okucia budowlane, części hamulców kolejowych, części rowe-
rów, części armatury wodociągowej i instalacji pary wodnej.

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej CVD (Chemical Vapour
Deposition)

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD) stosowane jest do otrzymy-
wania cienkich warstw na roŜnych materiałach. Celem obróbki jest uzys-
kanie  zwiększonej  odporności  na  zuŜycie  ścierne  oraz  zwiększenie
odporności  antykorozyjnej.  Proces  ten  polega  na  wprowadzaniu  do  ko-
mory  reakcyjnej,  najczęściej  gazowych  substratów,  gdzie  na  gorącym
podłoŜu  zachodzą  odpowiednie  reakcje  chemiczne  w  wyniku,  których
powstają  produkty,  które  dyfundują  w  powierzchniowe  warstwy  mater-
iału.  Tradycyjne  metody  (niewspomagane)  prowadzone  są  zazwyczaj
przy ciśnieniu atmosferycznym i wymagają stosowania wysokich tempe-
ratur.  Wysokie  temperatury  umoŜliwiają  rozkład  gazowych  reagentów
(900

÷1100°C) i/lub przebieg reakcji chemicznych tworzących produkty

wzbogacające warstwę wierzchnią.

Istotą procesu są reakcje, zachodzące w fazie gazowej w pobliŜu podłoŜa
jak i na granicy faz ciało stale – gaz. Reakcjom towarzyszy zarodkowa-
nie  i  wzrost  krystalitów  oraz  procesy  dyfuzyjne.  Proces  determinowany
jest  termodynamicznie  i  kinetycznie.  W  metodzie  tej  zasadniczą  rolę
spełnia  temperatura  prowadzenia  procesu,  w  mniejszym  stopniu  ciśnie-
nie, skład gazu oraz sposób przygotowania powierzchni materiału.

Jako źródła pierwiastków, z których ma powstać warstwa, stosuje się
róŜne substraty gazowe i ciekłe – zwane prekursorami (wodorki, chlorki
itp.) doprowadzane do komory reaktora za pomocą obojętnych gazów

SZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH

Strona

145

nośnych (argon, hel) lub gazów, które mogą brać udział w reakcjach
tworzących warstwę (tlen, azot, metan, wodór).

Otrzymane  tą  metodą  warstwy  maja  bardzo  dobrą  przyczepność  do
podłoŜa  i  najczęściej  stosowane  są  jak  warstwy  antyścierne  i antykoro-
zyjne. Wysokie temperatury procesu w zdecydowany sposób ograniczają
wykorzystanie  tej  metody.  Dlatego  teŜ  najczęściej  stosowana  jest  do
obróbki  węglików  spiekanych  oraz  obróbki  mało  obciąŜanych  części
maszyn,  dla których bardzo istotna jest  odporność na zuŜycie przez tar-
cie.  Metodą  tą  nanoszone  są  między  innymi  warstwy  wysokotopliwych
węglików  (TiC)  lub  azotków  (TiN)  metali  na  narzędzia  do  obróbki
skrawaniem wykonane z węglików spiekanych.

Techniki jarzeniowe

Techniki  jarzeniowe  naleŜą  do  procesów  obróbki  cieplno  –  chemicznej
w  atmosferze  gazowej  z  wykorzystaniem  zjawiska  wyładowania  jarze-
niowego  i  wykorzystywane  są  między  innymi  do  azotowania  stali
i stopów tytanu. Przedmioty obrabiane, stanowiące katodę umieszcza się
w komorze roboczej, której ścianki są anodą. Gaz reaktywny wprowadza
się  do  komory  roboczej  przy  ciśnieniach  1÷13  hPa  przy  ciągłym
przepływie  określonej  mieszaniny  gazowej  (tzw.  próŜnia  dynamiczna).
RóŜnica  potencjałów  między  anodą  i  katodą  wynosi  400÷1800 V  w za-
leŜności od składu chemicznego mieszaniny gazowej. W tych warunkach
jest utrzymywane  anormalne  wyładowanie jarzeniowe. Napięcie przyło-
Ŝ

one do elektrod reaktora, powoduje przepływ prądu jonowego. Jony

uderzając o powierzchnię katody mogą powodować wtórną emisję elek-
tronów,  rozpylanie  materiału,  wnikanie  w  głąb  materiału  oraz  lokalny
wzrost temperatury. Bombardowanie katody jonami dodatnimi doprowa-
dza do wzrostu jej temperatury, przy czym wzrost ten kontrolowany jest
przez  regulację  natęŜenia  prądu  jonowego  i  napięcia  między  elektroda-
mi.  Ogrzana  elektroda,  otoczona  gazem  częściowo  zjonizowanym
i wzbudzonym,  częściowo  zdysocjowanym,  reaguje  z  nim,  absorbując
atomy gazu. Tworzony w ten sposób gradient koncentracji jest motorem
dyfuzji  w  głąb  katody.  Absorpcja  gazu  moŜe  być  powodowana  przez
chemisorpcję, implantację i rozpylanie katodowe.

Azotowanie jarzeniowe w zaleŜności od parametrów procesu i rodzaju
podłoŜa umoŜliwia uzyskanie warstw o róŜnym stopniu twardości.

W celu uzyskania zamierzonych wyników azotowania sterowaniu pod-
daje się następujące parametry procesu:

• skład gazu roboczego,

OZDZIAŁ

Strona

146

• ciśnienie w zakresie 1÷13 hPa,

• temperatura obrabianego elementu,

• czas procesu.

Metoda  azotowania  jarzeniowego  jest  stosowana  do  obróbki  szeregu
gatunków stali i stopów tytanu. Azotowaniu poddaje się: stale konstruk-
cyjne stopowe, narzędziowe, szybkotnące, nierdzewne oraz Ŝaroodporne
i  Ŝarowytrzymałe.  Ta  nowoczesna  i  energooszczędna  metoda  obróbki
cieplno  –  chemicznej  stosowana  jest  do  zwiększenia  trwałości  wielu
elementów  maszyn  i  narzędzi.  Azotowaniu  jarzeniowemu  podaje  się
między  innymi:  ślimaki  do  wtryskarek  i  wytłaczarek,  wały  korbowe,
części skrzyni biegów, koła zębate, dysze wtryskiwaczy, formy, matryce,
wiertła, gwintowniki itp.

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

149

• inne stale stopowe, w których zawartość przynajmniej jedne-

go pierwiastka osiąga lub przekracza wartość graniczną po-
daną w tabeli 10.1.

Tabela 10.1 Granica między stalami niestopowymi i stopowymi
(wg PN-EN 10020:2003)

Nazwa pierwiastka

Symbol Pierwiastka

Zawartość graniczna

(% masowy)

Aluminium,

0,30

Bizmut

0,10

Bor,

0,0008

Chrom,

Cr*

0,30

Cyrkon

0,05

Kobalt,

0,30

Krzem

0,60

Lantanowce, kaŜdy,

0,10

Mangan

1,65*

Miedź,

0,40

Molibden,

0,08

Nikiel, Mo*

0,30

Niob

0,06

Ołów, Ni*

0,40

Selen

0,10

Tellur

0,10

Tytan

0,05

Wanad

0,10

Wolfram

0,30

Inne (kaŜdy oprócz fosforu, siarki i azotu)

0,10

JeŜeli w normie wyrobu lub warunkach dostawy są określone jedynie
maksymalne zawartości pierwiastków według analizy wytopowej to do
klasyfikacji stali naleŜy przyjąć wartość stanowiącą 70% maksymalnej
zawartości. Reguła ta nie dotyczy manganu.
*JeŜeli jest określona tylko maksymalna zawartość manganu, jego
graniczna zawartość wynosi 1,80% i nie stosuje się zasady 70%.

Klasy jakościowe stali niestopowych

Stale niestopowe jakościowe

Dla tych stali określa się jedynie wymagania dotyczące niektórych właś-
ciwości przykładowo takich jak: ciągliwość, podatność na obróbkę plas-
tyczną i/lub wielkość ziarna. Stalami niestopowymi jakościowymi są
wszystkie stale niestopowe niezaliczane do stali niestopowych specjal-
nych.

OZDZIAŁ

Strona

150

Stale niestopowe specjalne

Stale specjalne charakteryzują się:

• mniejszym niŜ stale jakościowe udziałem wtrąceń niemeta-

licznych (zawartość fosforu + siarki

≤ 0,02% dla analizy

wytopowej),

• dokładnym regulowaniem składu chemicznego,

• określonymi wymaganiami wielu własności mechanicznych,

technologicznych i uŜytkowych.

Generalnie przeznaczone są one do hartowania i odpuszczania lub utwar-
dzania powierzchniowego. Dokładne regulowanie składu chemicznego
i wyŜsza czystość tych stali zapewnia im odpowiednie właściwości uŜyt-
kowe np. hartowność, spawalność, regulowaną wartość granicy plastycz-
ności.

Stale odporne na korozję

Klasyfikacja tych stali ze względu na zawartość niklu:

• o zawartości niklu < niŜ 2,5%,

• o zawartości niklu ł 2,5%.

Podział stali odpornych na korozję ze względu na właściwości:

• stale nierdzewne,

• stale Ŝaroodporne,

• stale Ŝarowytrzymałe.

Klasyfikacja jakościowa stali stopowych

Stale stopowe jakościowe

Stale konstrukcyjne:

• spawalne drobnoziarniste, spawalne o określonej minimalnej

granicy plastyczności, określonej minimalnej udarności oraz
określonej zawartości pierwiastków stopowych zgodnie
z tabelą 10.2,

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

151

• stale stopowe, których jedynym wymaganym dodatkiem sto-

powym jest miedź.

Tabela 10.2. StęŜenie graniczne pierwiastków stopowych między stalami
stopowymi jakościowymi, a stalami specjalnymi (wg PN-EN 10020:2003)

Nazwa

pierwiastka

Symbol

Pierwiastka

Zawartość

graniczna

(% masowy)

Mangan

1,8

Chrom

0,5

Miedź,

0,5

Cyrkon

0,12

Tytan

0,12

Wanad

0,12

Molibden

0,10

Nikiel

0,08

Niob

0,08

Stale inne

• stale stopowe przeznaczone do produkcji szyn, grodzic

i kształtowników na obudowy górnicze,

• stale stopowe elektrotechniczne,

• stale stopowe przeznaczone do produkcji płaskich wyrobów

walcowanych do obróbki plastycznej na zimno.

Stale stopowe specjalne

Stalami stopowymi specjalnymi są wszystkie stale stopowe, które nie
zostały ujęte u klasyfikacji stali nierdzewnych oraz stali stopowych
jakościowych.

Obejmują one następujące stale stopowe:

• stale narzędziowe,

• stale róŜne: o szczególnych właściwościach fizycznych, stale

szybkotnące, stale łoŜyskowe,

• stale konstrukcyjne, maszynowe i na zbiorniki ciśnieniowe.

OZDZIAŁ

Strona

152

Klasyfikacja stali według stopnia odtlenienia

W  stalach  nieodtlenionych  (nieuspokojonych)  przy  krzepnięciu  we
wlewnicy  dochodzi  do  reakcji  węgla  z  rozpuszczonym  tlenem,
w wyniku, czego tworzy się tlenek węgla, który gwałtownie wydziela się
z ciekłej stali.

Uspokajanie  stali – końcowy proces wytopu stali, polegający na odtle-
nianiu  w  celu  zmniejszenia  wydzielania  gazów  podczas  krzepnięcia  we
wlewnicy.  Stal  uspokojona  jest  odtleniona  w  taki  sposób,  by  podczas
krzepnięcia  proces  wydzielania  gazów  był  całkowicie  wyeliminowany.
Proces ten polega na dodaniu pod koniec procesu stalowniczego do ciek-
łej  stali  pierwiastków  chemicznych  (odtleniaczy)  łączących  rozpuszczo-
ny tlen w tlenki (aluminium, manganu lub siarki).

W zaleŜności od stopnia odtleniania wyróŜnia się stal:

• nieuspokojoną,

• półuspokojoną,

• uspokojoną.

10.2. Oznakowanie stali

Obecnie w Unii Europejskiej obowiązują dwa systemu oznakowania
stali:

• znakowy, w którym znak stali składa się z symboli litero-

wych i cyfr (wg PN-EN 10027-1:2007),

• cyfrowy, w którym numer stali składa się tylko z cyfr

(wg PN-EN 10027-2:1994).

KaŜdy gatunek stali ma nadany znak i numer, który jednoznacznie iden-
tyfikuje tylko jeden materiał. W przypadku systemu literowo – cyfrowe-
go symbole literowe są odpowiednio dobrane tak, Ŝe wskazują na głów-
ne  cechy  stali  np.  zastosowanie,  właściwości  mechaniczne,  skład  che-
miczny.  UmoŜliwia  to  identyfikacje  poszczególnych  gatunków  stali.
W przypadku  oznaczenia  stali  w  systemie  cyfrowym  kaŜdy  gatunek stali
ma  nadany  numer  składający  się  z  pięciu  cyfr,  który  moŜna  stosować

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

153

zamiast znaku stali. Numer gatunku stali nadaje Europejskie Biuro Re-
jestracyjne.

W  systemie  cyfrowym  oznaczenie  gatunku  stali  składa  się  z  pięciu  cyfr:
1.nnxx,  gdzie  1  –  oznacza  stal,  nn  –  człon  składający  się  z  dwóch  cyfr
oznacza  grupę  stali,  xx  –  trzeci  człon,  równieŜ  dwucyfrowy,  wyróŜnia
dany gatunek w grupie.

Tabela 10.3 System cyfrowy oznakowania stali

Stal

Grupa stali

Gatunek stali

Przykładowo:

1.
1.

÷07

90÷

÷97

Stale niestopowe jakościowe.

÷19

Stale niestopowe specjalne.

40÷

÷49

Stale stopowe odporne na korozję i
Ŝ

aroodporne.

÷89

Stale stopowe konstrukcyjne,
maszynowe i na zbiorniki ciśnieniowe.

Numer stali

charakterystycz

ny dla danego

gatunku.

Numer stali ustala się dla gatunków stali, wg ich charakterystyki obej-
mującej:

• skład chemiczny,

• twardość, właściwości wytrzymałościowe, udarność. har-

towność, odporność na korozję, parametry metalograficzne,

• podatność na przerób, np. kształtowanie na zimno,

• przydatność na specjalne zastosowania, np. na drut kordu

w oponie.

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

155

Tabela 10.4. Przykład cyfrowego oznaczenia stali stopowych
specjalnych (pierwsze 3 cyfry z pięciocyfrowego numeru)

Stale odporne na korozję i Ŝaroodporne

1.40

Stal odporna na korozję o zawartości poniŜej 2,5% Ni, bez Mo, Nb i Ti

1.41

Stal odporna na korozję o zawartości poniŜej 2,5% Ni i Mo lecz bez Nb
i Ti

1.42

Miejsce zapasowe

1.43

Stal odporna na korozję o zawartości powyŜej 2,5% Ni bez Mo, Nb, Ti

1.44

Stal odporna na korozję o zawartości poniŜej 2,5% Ni i Mo lecz bez, Nb,
Ti

1.45

Stal odporna na korozję ze specjalnymi dodatkami

1.46

Stopy Ni odporne chemicznie i Ŝaroodporne

1.47

Stale Ŝaroodporne o zawartości poniŜej 2,5% Ni

1.48

Stale Ŝaroodporne o zawartości powyŜej 2,5% Ni

1.49

Materiały do pracy w podwyŜszonych temperaturach

Ustalanie znaków stali w systemie literowo cyfrowym wg

PN-EN 10027-1:1994

RozróŜnia się dwie grupy znaków:

• zawierające symbole wskazujące zastosowanie oraz właści-

wości mechaniczne lub fizyczne stali,

• zawierające symbole wskazujące skład chemiczny stali.

Budowa znaku stali

Grupa 1. Stale oznaczone wg ich zastosowania i właściwości
mechanicznych i fizycznych.

Oznakowanie to składa się z ciągu liter i cyfr, przy czym pierwszym
symbolem jest litera wskazująca na przeznaczenie, a drugim cyfra
wskazująca na wytrzymałość stali, wg poniŜszego schematu.

OZDZIAŁ

Strona

156

Tabela 10.5. Symbole główne stali oznaczanych według zastosowania
i właściwości (wg PN-EN 10027-1:2007)

Gatunki stali lub

wyroby ze stali

Oznaczenie literowe

stali

Liczbowe oznaczenie

właściwości stali

Konstrukcyjna

Pracująca pod
ciśnieniem

Na rury przewodowe

Maszynowa

Stal do zbrojenia
betonu

Liczba równa minimalnej
granicy plastyczności w [MPa]

Stal do betonu
spręŜonego

Liczba równa nominalnej
wytrzymałości na rozciąganie
[MPa]

Stal na szyny lub
w postaci szyn

Liczna równa minimalnej
twardość Brinella HBW

Wyroby płaskie
o podwyŜszonej
wytrzymałości
do kształtowania
na zimno

HC lub HCT –
walcowane na zimno
HD lub HDT– walcowane
na gorąco
HX lub HXT– dla
wyrobów bez
charakterystyki
walcowania

Liczba równa minimalnej
granica plastyczności [MPa] lub
po symbolu T liczba równa
minimalnej wartości
wytrzymałości na rozciąganie
w [MPa]

Wyroby walcowni
blachy ocynkowanej

TH – dla wyrobów
powlekanych w sposób
ciagły
TS – dla produktów
powlekanych etapami.

Liczba równa minimalnej
granicy plastyczności w [MPa]

Wyroby ze stali
miękkich do
kształtowania
na zimno (poza tymi
ze znakiem H)

DC – walcowane na zimno
DD – walcowane na
gorąco
DX – dla wyrobów bez
charakterystyki
walcowania

oraz dwa symbole cyfrowe lub
literowe charakteryzujące stal
(np. DC03).

Stale
elektrotechniczne

Liczbę będącą 100-krotną
wymaganą maksymalną
stratnością w W/kg,
liczbę będącą 100-krotną
nominalną grubością wyrobu
w mm;
literę oznaczającą rodzaj blachy
lub taśmy elektrotechnicznej, tj.:
A, D, E, S , P ( np . M4 30–
50 D).

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

157

Tabela 10.6. Przykładowe symbole główne i dodatkowe stali
konstrukcyjnych i maszynowych oznaczanych według zastosowania
i właściwości (wg PN-EN 10027-1:2007)

Symbole główne

Symbole Dodatkowe

Gatunek stali

Oznaczenie
literowe stali

Właściwości
stali

Grupa 1

Grupa 2

Konstrukcyjna

A, M, N, Q,
G, symbol
wymaganej
udarności

C, D, E, F, H, L,
M, N, P, Q, S, T,
W

Maszynowa

3 cyfrowa
wartość
minimalnej
wartości R

MPa

G, symbol
wymaganej
udarności

Przykłady oznakowania

S235JR

235

(udarność)

S460QL

460

(ulepszane

cieplnie)

(do stosowania w

niskich

temperaturach)

E335

335

E295GC

295

(inne cechy)

(kształtowane na

zimno lub do

kształtowania na

zimno

Tabela 10.7. Przykładowe oznakowanie niestopowych stali
konstrukcyjnych i maszynowych

Wg PN-EN10027-1

Wg PN-EN 10027-2

Wg PN-88/H-84020

S185

1.0035

(St03)

S235JR

1.0037

(St3)

S235JRG1

1.0036

(St3SX) (St3VX)

S235JRG2

1.0038

(St3SY), (ST3V),(ST3VY)

E295

1.0050

(St5)

E335

1.0060

(St6)

E360

1.0070

(St7)

OZDZIAŁ

Strona

158

Grupa 2 Stale oznaczone wg składu chemicznego

Podgrupa 2.1

Stal niestopowa o średniej zawartości manganu < 1% (bez stali automa-
towej)

Znak stali składa się z następujących symboli głównych:

• Litery C

• Liczby określającej 100-krotną wartość wymaganej zawar-

tości procentowej węgla,

• oraz symbolu dodatkowego wg normy.

Do tej grupy zaliczamy:

• Stal niestopową ogólnego zastosowania (C10, C15, C16),

• Stal niestopową specjalną spręŜynową (np. C125S),

• Stale niestopowe do ulepszania cieplnego (np. C60E, C60R),

E – stal z wymaganym maksymalnym stęŜeniem siarki, R –
stal z wymaganym zakresem stęŜenia siarki),

• Stal niestopową do nawęglania (np. C10R, C10E),

• Stal jakościową niestopową do spęczania i wyciskania na

zimno (C15C, C10C, C – ciągniony),

• Stal narzędziową niestopową (C45U).

Podgrupa 2.2

Stale o średniej zawartości manganu 1% i stale stopowe, o zawartości
kaŜdego pierwiastka stopowego <5% (bez szybkotnących)

Znak stali składa się z następujących symboli głównych:

• liczby określającej 100–krotną wartość wymaganej zawar-

tości procentowej węgla,

• symboli pierwiastków chemicznych – składników stopo-

wych stali uporządkowanych wg malejącej zawartości, a gdy
dwa mają taką samą zawartość – to wg kolejności al.fabe-
tycznej,

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

159

• liczb równych iloczynowi średniej zawartości poszczegól-

nych pierwiastków i odpowiednich współczynników z tabe-
li 10.8 (zaokrąglonych do najbliŜszej liczby całkowitej) od-
dzielonych od siebie kreską poziomą,

• oraz symbolu dodatkowego wg normy.

Na przykład 40CrMnNiMo8-6-4

Tabela 10.8. Wartości współczynników do wyznaczania znaku stali
z podgrupy 2.2

Pierwiastek

Współczynnik

Cr, Co, Mn, Ni, Si, W

Al., Be, Cu, Mo, Nb, Pb, Ta, Ti, V, Zr

Ce, N, P, S,

100

1000

Stale stopowe zawierające co najmniej 1 pierwiastek stopowy w ilości
≥ 5% (bez stali szybkotnących):

Znak tych stali składa się z:

• litery X,

• liczby będącej 100-krotną wymaganą średnią zawartością

węgla,

• symboli chemicznych pierwiastków stopowych stali w kolej-

ności malejącej zawartości,

• liczb (zaokrąglonych do liczby całkowitej) oznaczających

redni procent zawartości poszczególnych pierwiastków,

• oraz symbolu dodatkowego wg normy

Na przykład X38CrMoV5–3

Podgrupa 2.4

Stale szybkotnące

Znak tych stali składa się z następujących symboli literowych i liczbo-
wych:

• liter HS,

OZDZIAŁ

Strona

160

• liczb oznaczających procentowe zawartości (zaokrąglone do

liczb całkowitych) pierwiastków stopowych w następującej
kolejności: wolfram, molibden, wanad, kobalt;

zawartość chromu w stalach szybkotnących nie jest podawana, gdyŜ jest
we wszystkich gatunkach tych stali taka sama i wynosi od 4,0 do 4,5%.

Na przykład: HS6-5-2-5

10.3. Przykładowe stale

przemysłowe

Stale konstrukcyjne i maszynowe

Kryteriami doboru materiałów konstrukcyjnych są:

• uzyskanie moŜliwie jak najlŜejszych konstrukcji,

• wykorzystanie w pełni właściwości materiałów – np. zasto-

sowanie obróbki cieplnej, lub obróbki plastycznej, zwiększa-
jącej (R

, R

• minimalizacja kosztów materiałowych,

• korzystanie z wyników badań eksploatacyjnych dla podob-

nych konstrukcji.

Stale konstrukcyjne powinny mieć następujące cechy:

• dobrą spawalność ze względu na łączenie ich spawaniem

lub zgrzewaniem,

• wysoką odporność na kruche pękanie, czyli wysokie wydłu-

enie (A) i przewęŜenie (Z) oraz udarność (K) w zakładanej

temperaturze pracy, równieŜ w temperaturach poniŜej 0°C,

• jak najwyŜsze właściwości wytrzymałościowe (R

, R

) gwa-

rantujące obniŜenie cięŜaru konstrukcji,

• niską cenę ze względu na powszechne stosowanie.

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

161

Stale konstrukcyjne niestopowe stosowane są do mało odpowiedzial-
nych konstrukcji nitowanych, spawanych lub łączonych śrubami, pracu-
jących w temperaturze otoczenia i naleŜą do stali niestopowych jakościo-
wych. Zwykle nie są poddawane obróbce cieplnej.

Do stali konstrukcyjnych niestopowych zaliczane są:

• stale konstrukcyjne niestopowe na wyroby walcowane na

gorąco (S355JR), gdy stal jest kształtowana na zimno jej
znak uzupełniany jest literą C (S355JRC) – (tabela 10.9),

• stale niestopowe konstrukcyjne na kształtowniki zamknięte

walcowane na gorąco (S355J2H, H – kształtowniki
zamknięte),

• stale niestopowe przeznaczone na grodzice walcowane na

gorąco (S430GP, P – na grodzice),

• stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawane po normalizo-

waniu lub walcowaniu normalizującym (S275NL, N – nor-
malizowane, L – do stosowania w niskiej temperaturze). Dla
stali tych wyznaczana jest udarność w temperaturze – 50°C
(tabela 10.10).

Stale te są wytwarzane głównie przez walcowanie na gorąco:

• walcowanie konwencjonalne, którego celem jest nadanie od-

powiedniego kształtu,

• walcowanie cieplno – plastyczne (normalizujące lub termo-

mechaniczne), którego celem jest nadanie kształtu oraz
wytworzenie drobnoziarnistej struktury.

Dostarczane są w postaci blach, prętów, kształtowników i rur. Stosowa-
ne są w duŜych ilościach, a głównym sposobem ich łączenia jest spawa-
nie.

O  cechach  stali  konstrukcyjnych  decyduje  ich  skład  chemiczny,
a w szczególności  zawartość  węgla  (C),  manganu  (Mn)  i  krzemu  (Si).
Spawalność  stali  jest  zaleŜna  od  zawartości  pierwiastków  stopowych
stopu. Dobrą spawalność bez dodatkowych zabiegów przed i po spawa-
niu zapewnia warunek:

CEV

OZDZIAŁ

Strona

162

gdy CEV

≤ 0,45% stale spawane są bez Ŝadnych ograniczeń.

Przyjmując dla stali niestopowych tylko dwa pierwsze składniki zaleŜ-
ności na CEV uzyskujemy dla nich maksymalną zawartość węgla
C

≤ 0,25%.

Stale konstrukcyjne niestopowe umacniane są przez:

• umocnienie roztworowe,

• umocnienie przez granice ziarn.

Tabela 10.9. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości mechaniczne
oraz zastosowanie przykładowych niestopowych stali konstrukcyjnych
i maszynowych wg PN-EN 10025-1:2007

Maksymalne stęŜenie pierwiastków [%]

Stal

[MPa

]

Próba

[

°°°°C]

[J]

S185

–

290

–

S235JR

0,035

0,03

0,012

S235J0

0,03

0,012

S235J2

0,17

1,4

–

0,025

–

360

−20

S355JR

0,24

0,035

0,012

S355J0

0,2

0,03

0,012

S355J2

0,2

0,025

–

−20

S355K2

0,2

1,6

0,55

0,025

–

470

−20

S450J0

0,2

1,7

0,55

0,03

0,025

550

E295

–

0,045

0,012

470

–

E335

–

0,045

0,012

570

–

E360

–

0,045

0,012

670

–

Zastosowanie

Konstrukcje spawane, nitowane i łączone śrubami pracujące w tem-
peraturze otoczenia Stal S185 nie spawalna.

Ze względu na ograniczoną zawartość węgla, umocnienie roztworowe
uzyskiwane jest przez dodanie do stali manganu (Mn ≤ 2,1%) i krzemu
(Si

≤ 0,8%). WyŜsze wymagania wytrzymałościowe moŜna otrzymać

przez  uzyskanie  drobnoziarnistej  struktury  w  wyniku  normalizowania
lub  walcowania  normalizującego.  Pozwala  to  na  uzyskanie  w  stalach
konstrukcyjnych  zawierających  ≈  0,2 % C  granicy  plastyczności
R

= 460 MPa.

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

163

Do stali konstrukcyjnych stopowych zaliczamy:

• stale konstrukcyjne o podwyŜszonej wytrzymałości ulepsza-

ne cieplnie (S960QL), stosowane na odpowiedzialne ele-
menty konstrukcji (tabela 10.11),

• stale o wysokiej granicy plastyczności, walcowane termome-

chanicznie,  przeznaczone  do  obróbki  plastycznej  na  zimno
(S700MC,  M  –  walcowane  termomechanicznie),  stosowane
na  elementy  konstrukcji  kształtowane  metodami  obróbki
plastycznej na zimno,

• stale o wysokiej granicy plastyczności, normalizowane,

przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno – S420NC,
stosowane na elementy konstrukcji kształtowane metodami
obróbki plastycznej na zimno,

• stal konstrukcyjną stopową drobnoziarnistą spawalną –

S420 NL (tabela 10.10),

• stale konstrukcyjne drobnoziarniste na kształtowniki zam-

knięte  wykonane  na  gorąco  (S460NLH),  stosowane  na  ele-
menty  konstrukcji  wykonane  z  kształtowników  zamknię-
tych,

• stal konstrukcyjną stopową trudnordzewiejącą (S355J2W,

W – trudno rdzewiejąca), stosowaną na konstrukcje naraŜo-
ne na działanie korozji atmosferycznej.

NajwyŜsze właściwości wytrzymałościowe uzyskują niskowęglowe
(≈ 0,2 %C) stale stopowe ulepszane cieplnie, zwykłe hartowane bezpo-
ś

rednio z temperatury walcowania i następnie odpuszczane do struktury

sorbitu (tabela 10.11). Uzyskują R

= 960 MPa. Utwardzanie wydziele-

niowe jest przeprowadzane w tracie regulowanego walcowania, podczas
którego wydzielane są dyspersyjne cząstki węglików lub węglikoazot-
ków.

OZDZIAŁ

Strona

164

Tabela 10.10. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości mechaniczne
oraz zastosowanie spawanych stali konstrukcyjnych drobnoziarnistych
po normalizowaniu lub walcowaniu normalizującym,
wg PN-EN10025-3:2007

Maksymalne stęŜenie pierwiastków [%]

[J]

Stal

[MPa]

−

−20°°°°C −

−

−50°°°°C

S275N

0,18

–

S275NL

0,16

1,5

0,4

0,3

0,05

0,015

370

S355N

0,2

–

S355NL

0,18

1,65

0,5

0,12

0,015

470

S420N

0,2

1,7

0,6

0,8

0,2

0,025

520

–

S420NL

S460N

–

S460NL

0,2

1,7

0,6

0,8

0,2

0,025

540

Pozostałe składniki: Cu≤0,55; P≤0,03; S≤0,025; Cr≤0,3; Mo≤0,1; Nb≤0,05; Ti≤0,05.
Dla stali L P

≤0,25, S≤0,02.

– stale

sklasyfikowane, jako niestopowe.

Zastosowanie: konstrukcje spawane

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

165

Tabela 10.11. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości mechaniczne
i zastosowanie przykładowych stopowych stali konstrukcyjnych o pod-
wyŜszonej wytrzymałości w stanie ulepszonym cieplnie (hartowane
bezpośrednio z temperatury końca obróbki plastycznej, a następnie
odpuszczane) wg PN-EN10025-6:2007

Max. stęŜenie w % wag.

[J]

Stal

[MPa]

p0,2

[MPa]

[%] −

−

−20

−

−40

S460QL

0,2

0,02

0,01

550

460

S500 QL

0,2

0,02

0,01

590

500

S620Q

–

S620QL

0,2

0,02

0,01

700

620

S690Q

0,025

0,01

–

S690QL

0,02

0,015

S690QL1

0,2

0,02

0,01

770

690

S960Q

0,025

0,015

–

S960QL

0,2

0,02

0,01

980

960

Pozostałe składniki: Mn–1,7; Si–0,8; V–0,12; Nb–0,06; Cr– 1,5; Ti–0.05; Ni–2,0;
Zr–0,15; Cu–0,5; N–0,015; Mo–0.7; B–0,005.

Stal

Zastosowanie

S460QL

S500QL

ObciąŜone części
konstrukcji.

S620QL

S890QL

Bardzo obciąŜone części
konstrukcji.

S960Q

S960QL

Najbardziej obciąŜone
części konstrukcji.

Części konstrukcji, takŜe spawanych,
np. dźwigów, mostów, budynków,
cystern, zbiorników wodnych i śluz,
pracujących w temperaturze pokojowej
i obniŜonej.

Blachy grube i blachy uniwersalne w stanie ulepszonym cieplnie o gr. 3-150 mm

Niestopowe i stopowe stale spręŜynowe (PN-EN10132-4 dostarczane
w postaci taśm, PN-EN10270:2004 dostarczane w postaci drutu).

Wymagania stawiane stalom spręŜynowym to:

• duŜa wartość granicy spręŜystości (R

• duŜa wartość umownej granicy plastyczności (R

p0,2

• wysoki stosunek R

p0,2

oraz R

• duŜa wytrzymałość zmęczeniowa,

OZDZIAŁ

Strona

166

• pewna minimalna ciągliwość zapobiegająca pękaniu przy

przeciąŜeniu.

Wysoką granicę spręŜystości (R

) oraz wytrzymałości na rozciąganie

) zapewnia tym stalom:

• wysoka zawartość węgla od 0,35 ÷1,25%,

• obróbką plastyczną na zimno taśm i drutów,

• lub ulepszanie cieplne (hartowanie i średnie odpuszczanie),

• oraz odpowiedni skład chemiczny.

Tabela 10.12. Orientacyjna wytrzymałość na rozciąganie stali spręŜyno-
wych wg PN-EN10132-4:2004 i PN-EN10270:2004

Stal

Postać

Rodzaj

umocnienia

Oznaczenie

[mm]

[MPa]

Umacnianie
zgniotem na
zimno

C125S+CR

–

do 1200

Taśmy

Ulepszanie
cieplne

C125S+QT

–

1100

÷ 2100

1100 ÷ 1300

1260

÷ 1840

1700

÷ 2470

Druty

Umacnianie
zgniotem na
zimno

SL, DH

0,05

2800

÷ 3500

Taśmy

52SiCrNi5

–

1300

÷ 2100

8,5

÷10

1400

÷1800

rę

Druty

Ulepszanie
cieplne

TDCrV

0,5÷0,8

1850 ÷ 2300

Oznaczane charakteryzuje stosowane obciąŜenia S – statyczne, D – dynamiczne,

L – niskie, M – średnie, H – wysokie.
Zastosowanie – SpręŜyny i resory.

Największe właściwości wytrzymałościowe uzyskują stale spręŜynowe
w postaci drutu otrzymywane w wyniku patentowania. Obróbka ta pole-
ga na wielokrotnym powtarzaniu:

• austenityzowania w celu uzyskania drobnego ziarna,

• chłodzenia izotermicznego w wyniku, którego otrzymuje się

drobnopłytkowy perlit, który jest szczególnie podatny na
ciągnienie,

• oraz przeciągania na zimno.

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

167

Stale maszynowe

Niestopowe maszynowe naleŜące do grupy stali jakościowych
E295

÷E360 (razem ze stalami konstrukcyjnymi PN-EN 10025–1:2007).

Niestopowe  na  rury  precyzyjne  ciągnione  na  zimno  (PN-EN  10296-
1:2006).  Przeznaczone  do  ogólnego  stosowania  i  na  elementy  maszyn.
Oznaczane  E155

÷E420 o R

= 270¸420 MPa i wydłuŜeniu (A) odpo-

wiednio równym 28

÷12 %.

Automatowe  (PN-EN10087:2000)  naleŜą  do  grupy  stali  niestopowych
jakościowych  i  są  klasyfikowane  na  podstawie  składu  chemicznego.
Charakteryzują  się  podwyŜszoną  zawartością  siarki  ok.  0,1%  i/lub  oło-
wiu  do  0,37%.  Oznaczane  np.  11SMn30,  36SMnPb14,  dostarczane
w postaci prętów i przeznaczone do obróbki skrawaniem.

Wymagania  stawiane  tym  stalom  to  przede  wszystkim  dobra  skrawal-
ność, czyli krótki łamliwy wiór, nieprzyleganie wióra do narzędzia oraz,
zmniejszenie tarcia w trakcie obróbki. Uzyskiwane jest to przez dodanie
do  stali  automatowych  S  i/lub  Pb.  Siarczki  manganu  w  strukturze  stali
dają  krótkie  wióry  oraz  zmniejszenie  tworzenia  się  narostu  na  po-
wierzchni  natarcia  ostrza  skrawającego,  natomiast  drobne  wydzielenia
ołowiu, topiąc się w trakcie obróbki zmniejszają tarcie wióra o nóŜ.

Stale automatowe dzielimy na:

• nie przeznaczone do obróbki cieplnej,

• do nawęglania,

• do ulepszania cieplnego.

Przeznaczone są na niezbyt mocno obciąŜone elementy (śruby, sworznie,
obudowy świec, części napędu samochodowego) o złoŜonych kształtach,
wytwarzane przy zastosowaniu obróbki skrawaniem na szybkobieŜnych
obrabiarkach i automatach.

Do ulepszania cieplnego (PN-EN 10083:2006).

Niestopowe do hartowania powierzchniowego oraz ulepszania cieplnego
(C22÷C60). Przeznaczone na średnio obciąŜone elementy maszyn w sta-
nie ulepszonym cieplnie, stosowane w przemyśle maszynowym i samo-
chodowym (wały, wrzeciona, koła zębate, itp.)

OZDZIAŁ

Strona

168

Stopowe do ulepszania cieplnego (np. 36CrNiMo4). Stosowane na ele-
menty konstrukcji i maszyn podlegające duŜym obciąŜeniom (wały, kor-
bowody, koła zębate, sworznie, drąŜki itp.)

Kryteria doboru tych stali to hartowność, wytrzymałość i ciągliwość.
Stale do ulepszania cieplnego charakteryzują się:

• wysoką wytrzymałością (R

i R

• wysoką ciągliwością – duŜa udarność i plastyczność (A, Z,

K),

• dobrą hartownością,

• niejednokrotnie dobrą skrawalnością.

W  wyniku  stosowania  obróbki  cieplnej:  hartowania  i  odpuszczania,
uzyskiwane  są  optymalne  wartości  wytrzymałości  i  ciągliwości.
W stalach stopowych średnia zawartość węgla 0,25÷0,5% zapewnia wy-
soką  ciągliwość,  a  stosowane  dodatki  stopowe  (głównie  Cr,  Mo,  Ni  )
poprawiają hartowność.

Stale niestopowe do ulepszania cieplnego po hartowaniu i wysokim
odpuszczaniu oraz normalizowaniu uzyskują wytrzymałość
R

= 410÷670 MPa przy wydłuŜeniu (A) odpowiednio od 25÷11%,

a stale stopowe po hartowaniu i wysokim odpuszczaniu uzyskują
R

= 700÷1100 MPa przy wydłuŜeniu (A) odpowiednio od 15

÷10%.

Niestopowe (C10) i stopowe (18CrMo4) stale do nawęglania
(PN-EN 10084:2002).

Obróbka  cieplno  –  chemiczna  pozwala  na  uzyskanie  właściwości,  któ-
rych  nie  moŜna  uzyskać  metodami  konwencjonalnymi.  Do  nawęglania
lub azotowania stosuje się stale niskowęglowe, które po obróbce cieplno
– chemicznej poddawane są hartowaniu objętościowemu i niskiemu od-
puszczaniu.  W  stalach  stopowych  podstawowym  dodatkiem  stopowym
jest  Cr  oraz Mn i Ni, które  zwiększają hartowność  i poprawiają właści-
wości wytrzymałościowe rdzenia oraz zmniejszają napręŜenia hartowni-
cze  w  warstwie  wierzchniej.  Obróbka  cieplno  chemiczna  prowadzi  do
uzyskania:

• twardej, odpornej na ścieranie warstwy wierzchniej o zawar-

tości węgla od 0,85÷1,1% C,

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

169

• ciągliwego rdzenia o odpowiedniej wytrzymałości i zawar-

tości węgla < 0,25% C (martenzyt jeszcze ciągliwy).

Zastosowanie: elementy maszyn z wymaganą warstwą wierzchnią o wy-
sokiej twardości i ciągliwym rdzeniu: sworznie, rolki, tuleje, wałki itp.

Stale stosowane na narzędzia

Stale stosowane na narzędzia dzielimy na:

• stale niestopowe i stopowe do pracy na zimno, w temperatu-

rach do ok. 200 °C – (tabela 10.13),

• stale stopowe do pracy na gorąco, w temperaturach od

200°C do ok. 600°C – (tabela 10.14),

• stale szybkotnące – (tabela 10.15).

ZaleŜnie od warunków pracy, od stali narzędziowych wymagana jest:

• wysoka twardość i odporność na ścieranie,

• odpowiednia wytrzymałość i ciągliwość,

• odporność na odpuszczające działanie ciepła,

• twardość i wytrzymałość w podwyŜszonych temperaturach,

• odporność na zmęczenie termiczne.

W celu uzyskania wymaganych właściwości wszystkie gatunki stali do
produkcji narzędzi poddawane są obróbce cieplnej hartowania i odpusz-
czania.

Twardość  stali  zahartowanej  zaleŜy  przede  wszystkim  od  zawartości
węgla.  Pierwiastki  stopowe  nie  zwiększają  twardości  w  sposób  istotny,
ale  głównie  zwiększają  hartowność  i  tworzą  twarde węgliki odporne na
ś

cieranie.

OZDZIAŁ

Strona

170

Tabela 10.13. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości i zastosowanie
przykładowych stopowych stali narzędziowych do pracy na zimno
wg PN-EN ISO 4957:2004

Średni skład chemiczny w % wag.

PN-EN ISO

4957:2004

Nr mat.

X210Cr12

1.2080

NC11

2,05

0,35

–

0.4

X153CrVMo12

1.2379

NC11LV

1,53

0,35

0,85

0.4

X100CrMoV5

1.2363

NCLV

1,00

0,25

5,20

1,05

0,25

0,6

Zastosowanie

Stale narzędziowe stopowe są stosowane na narzędzia do pracy
w temperaturach niŜszych od 200

°°°°C.

Gilotyny do cięcia cienkich materiałów, wykrojniki i stemple, na-
rzędzia pomiarowe, narzędzia do wytłaczania metali i walcowania
gwintu na zimno, frezy i noŜe do strugarek do wysokowydajnej
obróbki drewna itp.

Tabela 10.13. cd

Średni skład chemiczny w % wag.

PN-EN ISO

4957:2004

Nr mat.

60WCrV8

1.2550

NZ3

0,60

0,3

1,11

0,85

0,15

2,00

90MnCrV8

1.2842

NMV

0,90

2,0

0,4

0,25

0,13

–

Zastosowanie

Stale na narzędzia pneumatyczne, noŜe maszynowe, stemple do
bicia monet. Charakteryzują się duŜą hartownością, odpornoś-
cią na ścieranie, twardością i wysoka udarnością.

Właściwości
stali
narzędziowych
do pracy na
zimno

Stale te poddawane są obróbce cieplnej hartowania i niskotempe-
raturowego odpuszczania i uzyskują twardości od 50 do 62 HRC.
Narzędzia naraŜone na działanie obciąŜeń dynamicznych, w celu
zwiększenia ciągliwości, poddawane są odpuszczaniu w tempera-
turze 250 – 450

C. Stale narzędziowe wykazują duŜą twardość

i odporność na ścieranie. Stale niskowęglowe przeznaczone są do
nawęglania i uzyskują dzięki obróbce cieplno – chemicznej twar-
dą warstwę wierzchnią oraz miękki rdzeń.

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

171

Tabela 10.14. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości i zastosowanie
przykładowych stopowych stali narzędziowych do pracy na gorąco,
wg PN-EN ISO 4957:2004

Średni skład chemiczny w % wag.

PN-EN ISO

4957:2004

Nr mat.

X38CrMoV5–3

1.2387

0,38

0,4

5,0

3,0

0,5

–

X30WCrV9–3

1.2581

0,3

0,25

2,8

–

0,4

9,0

X35CrWMoV5

1.2605

0,35

1,0

5,1

1,4

0,35

1.4

Zastosowanie

Stale stosowane na narzędzia do pracy w temperaturach od 250
do 700

C. Narzędzia kuźnicze, narzędzia do cięcia na gorąco,

formy odlewnicze do odlewania ciśnieniowego itp.

Właściwości

Stale poddawane są obróbce cieplnej hartowania i niskotempe-
raturowego odpuszczania. Uzyskują twardości od 46 do
56 HRC. Stale te wykazują duŜą twardość i odporność na
ś

cieranie w wysokiej temperaturze pracy.

Przykładowy  skład  chemiczny  stali  szybkotnących  podano  w  tabeli
10.15. Stale szybkotnące są definiowane jako stale zwierające więcej niŜ
0,6%  węgla,  ok.  4%  Cr  oraz  co  najmniej  dwa  spośród  dodatkowych
składników  stopowych,  takich  jak  Mo,  W,  V  o  łącznym  stęŜeniu  więk-
szym niŜ 7%. Zapewnia to tym stalom dobrą hartowność oraz efekt twar-
dości wtórnej. W stalach szybkotnących w temperaturze pracy ok. 600°C
Fe

C ulega rozpuszczeniu, a uwolniony węgiel tworzy z silnie węgliko-

twórczymi pierwiastkami (Mo, W i V) węgliki Mo

C, W

C i VC, co

powoduje uzyskanie twardości większej niŜ po hartowaniu i odpuszcza-
niu.

Tabela 10.15. Orientacyjny skład chemiczny, właściwości i zastosowanie
przykładowych stali szybkotnących wg PN-EN ISO 4957:2004

Średnie stęŜenie wag pierwiastków w %

PN-EN ISO
4957:2004

Nr mat.

HS18-0-1

1.3355

SW18

0,78

4,2

–

1,10

18,0

–

HS2-9-1-8

1.3247

SK8M

1,10

3,9

9,2

1,20

1,40

8,00

HS6-5-2

1.3343

SW7M

0,90

4,1

5,00

1,80

6,40

HS6-5-2-5

1.3243

SK5M

0,92

4,1

5,00

1,90

6,40

4,80

Zastosowanie

Stale szybkotnące stosowane są na narzędzia skrawające,
narzędzia wykrojnikowe oraz na narzędzia do obróbki
plastycznej na zimno i gorąco.

Właściwości

Stale szybkotnące poddawane są obróbce cieplnej hartowania
i odpuszczania w temperaturze 560

C i uzyskują twardość od

60 do 66 HRC. Stale te wykazują duŜą twardość i odporność
na ścieranie w temperaturze do 600

OZDZIAŁ

Strona

172

Stale odporne na korozję i Ŝaroodporne

Stale odporne na korozję (PN-EN 10088:2007).

Stal  odporna  na  korozję  zawiera  minimum  10,5  %  chromu,  oraz  inne
składniki stopowe. Jej naturalną cechą jest odporność na korozję, uzyski-
waną  dzięki  reakcji  chromu  z  tlenem,  w  wyniku,  której na powierzchni
tworzy  się  bardzo  cienka,  szczelna  i  doskonale  związana  z  podłoŜem
warstewka tlenku, zabezpieczająca przed penetracją tlenu w głąb mater-
iału.  W  przypadku  uszkodzenia  mechanicznego  warstwa  ochronna  od-
twarza się samoistnie. Odporność na korozję stali nierdzewnej i jej właś-
ciwości  fizyczne  mogą  być  wzmocnione  poprzez  dodanie  innych skład-
ników stopowych, takich jak nikiel, molibden, tytan, niob, mangan, azot,
miedź,  krzem,  glin  i  wanad.  Węgiel  występuje  zwykle  w  ilości  poniŜej
0,08%;  tylko  w  stalach  o  strukturze  martenzytycznej  jego  zawartość
osiąga 1,0%.

Istnieje ponad sto gatunków stali odpornych na korozję sklasyfikowa-
nych w pięciu grupach:

• Martenzytyczna – o zawartości C < 1,0%, Cr = 12,5 ÷17%.

Charakteryzująca się wysokimi właściwościami wytrzyma-
łościowymi R

= ok. 1100 MPa. UŜywana głównie na silnie

obciąŜone  części  maszyn,  które  muszą  być  odporne  na  ko-
rozję,  np.  łopatki  turbin  parowych,  wały,  śruby,  spręŜyny,
trzpienie,  wrzeciona,  narzędzia  chirurgiczne,  a  takŜe  przed-
mioty gospodarstwa domowego.

• Ferrytyczna – o zawartości C < 0,08%, Cr = 11,5÷29%.

Stale  te  charakteryzują  się  duŜą  ciągliwością,  nadają  się  do
tłoczenia  na  zimno.  Są  stosowane  na  naczynia  kuchenne,
elementy  aparatury  chemicznej,  elementy  karoserii  samo-
chodowej.

• Austenityczna – chromowo – niklowa o niskiej zawartości

węgla  C  <  0,1%.  Najczęściej  stosowany  skład:  18%  Cr
i 10%  Ni.  W  związku  z  deficytem  niklu  stosuje  się  stale
chromowo – niklowo – manganowe równieŜ o strukturze au-
stenitycznej.  Stale  austenityczne  charakteryzują  się  najwyŜ-
szymi  wskaźnikami  odporności  na  korozję  atmosferyczną,
w wodzie  morskiej,  roztworach  alkalicznych,  w  produktach
Ŝ

ywnościowych oraz w środowisku wielu kwasów (stąd na-

zwa kwasoodporne). Są uŜywane na przedmioty gospodar-

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

173

stwa domowego, aparaturę w przemyśle spoŜywczym, insta-
lacje w przemyśle chemicznym, rafineryjnym, petroche-
micznym. Austenityczna stal nierdzewna stanowi 70% świa-
towej produkcji stali nierdzewnych.

• Umacniana wydzieleniowo – o zawartości

C = 0,015

÷0,09%, Cr = 12¸17%, Ni=4¸25,5% oraz Mn, Nb,

Al,  Ti, V, B. Umacnianiu wydzieleniowemu podlegają stale:
martenzytyczne,  w  których  podczas  odpuszczania  z marten-
zytu  wydzielają  się  węgliki  i  fazy  międzymetaliczne,  auste-
nityczne  poddawane  przesycaniu  i  starzeniu,  w  wyniku
którego  w  austenicie  wydzielają  się  fazy  międzymetaliczne.
Umocnienie  wydzieleniowe  nadaje  tym  stalom  wysokie
właściwości  wytrzymałościowe  do  Rm=1400  MPa.  Stoso-
wane  są  między  innymi  na  spręŜyny  charakteryzujące  się
wysoka  wytrzymałością  mechaniczną  i  zmęczeniową  pracu-
jące  w  temperaturze  do  300°C,  elementy  armatur,  zawory
pracujące w warunkach korozyjnych.

• Ferrytyczno – austenityczne o zawartości C ≤ 0,03%,

Cr = 18,5

÷29%, Ni = 4,5÷7%, N = 0,13÷0,35%,

Mo = 0,35¸3,8%. Są to stale o zwiększonej zawartości Cr
i innych pierwiastków ferrytotwórczych w stosunku do ogra-
niczonej zawartości niklu. Mają strukturę dwufazową (

)

typu „dupleks”. Cechują się szczególnie dobrą odpornością
na korozję napręŜeniową oraz wyŜszymi właściwościami
wytrzymałościowymi w stosunku do stali austenitycznych.

Przykładowe oznakowanie stali odpornych na korozję:
X5CrNi18-10, 1.4301.

Stale Ŝaroodporne i Ŝarowytrzymałe

śaroodporność  –  odporność  materiału  na  korozję  gazową  (powietrze,
spaliny) w temperaturach wyŜszch niŜ 600 ºC. śaroodporność jest ściśle
związana ze skłonnością stopu do tworzenia szczelnej i dobrze przylega-
jące  warstwy  produktów  korozji  na  powierzchni  stopu.  Pierwiastkami
wpływającymi  korzystnie  na  Ŝaroodporność  stali  są  chrom,  nikiel
i krzem.  Tworzą  one  warstewkę  tlenków  Cr

O, Al

i SiO

, która

hamuje dyfuzję atomów z agresywnego środowiska i jonów metalu
w przeciwnym kierunku.

OZDZIAŁ

Strona

174

Stale Ŝaroodporne są stalami niskowęglowymi C

≤ 0,25 i mogą podlegać

łączeniu przez spawanie. Ze względu na strukturę wyróŜniane są dwie
grupy:

• Stale chromowe o strukturze ferrytycznej zawierające

Cr = 7

÷27,5%, Si = 0,75÷1.0%, Mn ≤ 1% oraz niejednokrot-

nie Al ≤ 2%. Stosowane na wyroby nieobciąŜone w tempera-
turze od 600

÷1150°C (kołpaki pieców, obudowy pirometrów

itp.).

• Stale chromowo – niklowe o strukturze austenitycznej za-

wierające Cr = 16÷25%, Ni = 7÷35%, Si = 0,3÷2,0%,
Mn

≤ 2% oraz niejednokrotnie: Ti, Co, Al, Nb. Stale te stoso-

wane są w stanie przesyconym na elementy obciąŜone me-
chanicznie w temperaturach pracy od 850÷1150 °C.

śarowytrzymałość – odporność stopu na odkształcenia, z czym wiąŜe
się zdolność do wytrzymywania obciąŜeń mechanicznych w temperatu-
rze wyŜszej niŜ 600 ºC.

arowytrzymałość uzyskuje się poprzez wysokie zawartości dodatków

stopowych w stali: chromu 5÷30%, niklu 4÷30% oraz molibdenu
0,5

÷1,0%, a takŜe wolframu do 2%. Wysoka zawartość Cr i Ni pozwala

uzyskać  strukturę  austenityczną  w  normalnych  warunkach.  Molibden,
wolfram, wanad, kobalt, chrom, tytan i krzem, podwyŜszają temperaturę
topnienia  i  rekrystalizacji.  śarowytrzymałość  zwiększana  jest  równieŜ
poprzez  zgniot  i  utwardzenie  wydzieleniowe.  Górna  granica  Ŝaroodpor-
ności wynosi 800°C do 1200 °C, w zaleŜności od składu stali.

Ze  stali  Ŝaroodpornych  i  Ŝarowytrzymałych  wykonuje  się elementy  pie-
ców,  kotłów  parowych,  wentylatory  do  gorących  gazów,  skrzynki  do
nawęglania,  komory  spalania  turbin  gazowych  oraz  zawory  tłokowych
silników spalinowych.

OZDZIAŁ

Strona

176

11.1. Aluminium i jego stopy

Aluminium jest metalem o niskiej gęstości 2,7 Mg/m

(prawie trzy razy

mniejsza niŜ Ŝelaza), co kwalifikuje go do grupy metali lekkich. Krysta-
lizuje  w  sieci  RSC  i  cechuje  się  duŜą  plastycznością.  Niezwykle  szybki
rozwój  stopów  aluminium  nastąpił  w  latach  dwudziestych  XX  wieku.
Podstawowe  znaczenie  miało  zapotrzebowanie  rozwijającego  się  prze-
mysłu lotniczego. Obecnie aluminium naleŜy do metali o bardzo duŜym
znaczeniu.  Czyste aluminium otrzymuje się w 17 gatunkach o czystości
od 99,0

÷99,99%.

Aluminium  silnie  utwardza  się  przez  zgniot,  dlatego  przerabia  się  go
plastycznie  –  walcuje  (blachy,  folie)  lub  wyciska  (pręty,  rury,  druty,
kształtowniki). Obróbkę plastyczną moŜna przeprowadzać na zimno lub
na gorąco. Właściwości mechaniczne aluminium wyŜarzonego i w posta-
ci zgniecionej podano w tabeli 11.1.

Tabela 11.1. Właściwości mechaniczne aluminium

Aluminium w stanie

wyŜarzonym

Aluminium w stanie

zgniecionym

(60-80%)

Twardość

15 – 30 HBW

40-60 HBW

Wytrzymałość na
rozciąganie

=70

÷120 [MPa]

= 140

÷230 [MPa]

Granica
plastyczności

= 20÷40 [MPa]

= 120÷180 [MPa]

WydłuŜenie

= 35

÷ 45 [%]

= 1,3

÷ 3 [%]

Moduł spręŜystości

E = 69000 [MPa]

Właściwości wytrzymałościowe aluminium są  stosunkowe niskie, dlate-
go  w  postaci  czystej  nie  znajduje  zastosowania  jako  materiał  konstruk-
cyjny.  Natomiast  inne  jego  cechy  jak:  dobre  przewodnictwo  cieplne
i elektryczne,  odporność  na  korozję  atmosferyczną  (aluminium  na  po-
wierzchni  pokrywa  się  warstwą  Al

, która chroni go przed dalszym

utlenianiem)  spowodowały  szerokie  zastosowanie  aluminium  na:  ele-
menty  aparatury  chemicznej,  urządzeń  przemysłu  spoŜywczego,  folii
kondensatorowych,  przewody  elektryczne  zwłaszcza  wysokiego  napię-
cia, oraz na wyroby codziennego uŜytku jak, sztućce, naczynia itp.

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

177

WaŜną cechą aluminium jest jego odporność korozyjna naleŜy jednak
podkreślić, Ŝe Al jest odporne jest na działanie wody, H

, H

S, wielu

kwasów organicznych, związków azotowych, natomiast nie jest odporne
na  działanie  wodorotlenków  (np.  NaOH,  KOH),  kwasów  beztlenowych
(HF,  HCl),  wody  morskiej  i  jonów  rtęci.)  Dla  zwiększenia  odporności
korozyjnej  aluminium  i  jego  stopy  poddaje  się  anodowemu  utlenianiu,
które połączone jest z barwieniem powierzchni metalu na róŜne kolory.

Stopy aluminium

Aby  wykorzystać  cechy  fizyczne  aluminium,  a  jednocześnie  podnieść
jego  właściwości  wytrzymałościowe  sporządza  się  na  jego  podstawie
stopy  posiadające  kilkakrotne  większe  właściwości  wytrzymałościowe
niŜ  czyste  aluminium.  Do  podstawowych  metod  umacniania  stopów
aluminium zaliczamy:

• umacnianie roztworowe,

• umacnianie wydzieleniowe,

• umacnianie odkształceniowe.

Wymienione metody powodują utrudnienia w ruchu dyslokacji, a tym
samym wzrost napręŜeń niezbędnych do uruchomienia poślizgu dysloka-
cji, co z kolei wiąŜe się ze zwiększeniem granicy plastyczności umoc-
nionego stopu.

Do najczęściej stosowanych dodatków stopowych naleŜą: Cu, Si, Mg,
Mn i Zn. Pierwiastki te tworzą roztwory stałe ograniczone, a niektóre
z nich równieŜ fazy międzymetaliczne, np.: Al

Cu, Mg

Si, które umoŜli-

wiają przeprowadzenie skutecznego umocnienia wydzieleniowego.

Klasyfikację stopów aluminium moŜna przeprowadzić ze względu na:

• rodzaj składnika stopowego na stopy: Al – Cu, Al – Mn,

Al – Si, Al – Mg, Al – Zn oraz Al – Ni,

• podatność na umocnienie wydzieleniowe: na stopy umacnia-

nie wydzieleniowo i na stopy nie umacniane wydzieleniowo,

• sposób wytwarzania: na stopy odlewnicze (PN-EN

1706:2001) i do obróbki plastycznej (PN-EN 573-3:2007).

Ostatni z podziałów jest uwzględniony w normach europejskich dotyczą-
cych stopów aluminium i jest uznany za podstawową klasyfikację. Nie-

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

179

Tabela 11.2. Oznaczenie przerabianych plastycznie gatunków aluminium
i stopów aluminium wg PN-EN 573-1:2006 i PN-EN 573-2:1997

Oznaczenie przerabianych plastycznie gatunków aluminium i stopów aluminium

Oznaczenie numeryczne składa się z symbolu określającego produkt i czterech

cyfr

EN AW XXXX

Gatunki aluminium

EN AW

AW aluminium lub
stop aluminium
przerobiony
plastycznie

1 – Aluminium o
czystości równej i
większej ok. 99%

Wersja
stopu

Czystość aluminium
w setnych częściach
procenta (powyŜej
99%)

Przykład:

EN AW 1199 – aluminium o czystości 99,99 %

Stopy aluminium
EN AW

Stop
aluminium
przerobiony
plastycznie

Określa główny składnik stopu
2 – Miedź (Cu)
3 – Mangan (Mg)
4 – Krzem (Si)
5 – Magnez (Mg)
6 – Magnez i krzem (Mg i Si)
7 – Cynk (Zn)
8 – Inne (Fe, Li)
9 – obecnie niewykorzystywana)

Wersja
stopu

Numer
stopu

Przykład:

EN AW – 2014 stop serii 2000
EN AW – 5052 stop serii 5000

Oznaczenie stopów aluminium wg składu chemicznego:
EN AW–Al[………..]
EN AW

[………….]

AW stop aluminium przerobiony
plastycznie

Symbole dodatków stopowych i ich
zawartości

Przykładowo

EN AW–Al Cu4SiMg niejednokrotnie podawane w nawiasie,
jako uzupełnienie oznaczenia numerycznego EN AW–
2214 [AlCu4SiMg]

OZDZIAŁ

Strona

180

Tabela 11.3. Oznaczenie odlewniczych stopów aluminium
wg PN-EN 1780-1(2):2004

Oznaczenie odlewniczych stopów aluminium
Oznaczenie numeryczne: EN A[…]– XXXXX

EN AC
EN AB

C – odlewy
B – gąska
do przetopu

Główny składnik
stopu
2 – Miedź (Cu)
4 – Krzem (Si)
5 – Magnez (Mg)
7 – Cynk (Zn)

Grupa stopu
1 AlSiMgTi
2 AlSi7Mg
3 AlSi10Mg
4 AlSi
5 AlSi5Cu
6 AlSi9Cu
7 AlSi(Cu)
8 AlSiCuNiMg

wersja
stopu

Cyfra inna, iŜ
zero w stopach
dla lotnictwa
i kosmonautyki

Przykład:

EN AB – 45400
EN AC – 56600

Oznaczenie wg składu chemicznego EN A[…]–Al [……….] [(..)]
EN A […]
[C, B,M]

Al [……..]

[(..)]

C – odlewy
B – gąska
do przetopu
M – stop
wstępny

Symbole pierwiastków stopowych i ich
zawartość
np. AlSi11, AlSi7Cu2

Symbole głównych
zanieczyszczeń Grupa
stopu
np. AlSi11Cu2(Fe)

Przykład:

EN AC–Al Si11Cu2(Fe)
EN AC–Al Si11

Odlewnicze stopy aluminium

Obecnie wytwarza się wiele aluminiowych stopów odlewniczych. Do
najwaŜniejszych naleŜą stopy Al – Si, Al – Mg, Al – Cu.

Stopy aluminium – krzem nazywane siluminami są najpowszechniej
stosowane do wytworzenia odlewów kształtowych z uwagi na ich dobre
własności technologiczne takie jak lejność, zdolność wypełnienia formy,
niską gęstość oraz dobre, dające się kontrolować, własności mechanicz-
ne.

Aluminium z krzemem tworzy prosty układ z eutektyką, występującą
przy stęŜeniu 12,6% Si oraz dwoma granicznymi roztworami stałymi
(

– Si w Al i

– Al w Si) o rozpuszczalności składników zmniejszającej

się wraz z obniŜeniem temperatury, przy czym aluminium w temperatu-
rze eutektycznej rozpuszcza się w Si w bardzo niewielkim stęŜeniu
(0,07%), a w temperaturze pokojowej nie wykazuje niemal zupełnie
rozpuszczalności w Si.

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

181

Stopy aluminium–krzem dzielimy na:

• podeutektyczne, zawierające do 4%÷11% Si,

• eutektyczne, zawierające 11%÷13% Si

• nadeutektyczne posiadające ponad 13%÷30% Si.

W celu optymalizacji własności uŜytkowych i mechanicznych odlewu
dodawane są pojedynczo lub w roŜnych kombinacjach inne pierwiastki
stopowe takie jak:

• Cu, Mg – umoŜliwiające utwardzenie wydzieleniowe

i zwiększające wytrzymałość,

• Mn – zwiększający wytrzymałość i przeciwdziałający ujem-

nemu wpływowi Ŝelaza,

• Ni (do 1%) – polepszający odporność na korozję,

• Ti – wpływający na zmniejszenie wielkości ziaren.

W zaleŜności od zawartości krzemu w stopie i warunków krzepnięcia,
mikrostruktura odlewu jest zbudowana z mieszaniny ziaren roztworu
stałego

(Si w Al) kryształów krzemu i eutektyki

+ Si, jak równieŜ

róŜnych wydzieleń faz związków międzymetalicznych utworzonych
z aluminium i dodatków stopowych np. CuAl

czy Mg

Si.

Wadą siluminów jest nietypowa dla stopów eutektycznych gruboiglasta
eutektyka, a w siluminach nadeutektycznych duŜe iglaste wydzielenia
krzemu pierwotnego.

Konsekwencją  tego  jest  drastyczny  spadek  plastyczności  stopu.
Rozdrobnienie struktury oraz zmianę kształtu wydzieleń uzyskuje się po-
przez modyfikację stopu przed jego odlaniem. Stopy eutektyczne mody-
fikuje  się  sodem  (takŜe  Sr  lub  niekiedy  Sb),  którego  związki  ułatwiają
zarodkowanie  oraz  tworząc  „błonkę”  utrudniają  wzrost  kryształów  Si,
oraz  przesuwają  punkt  eutektyczny  w  kierunku  wyŜszych  zawartości  Si
i stop staje się stopem podeutektycznym o strukturze kryształów α na tle
drobnoziarnistej  eutektyki  (α  +  Si).  Natomiast  do  stopów nadeutektycz-
nych dodaje się związki fosforu, które powodują rozdrobnienie i zmianę
kształtu wydzieleń krzemu pierwotnego (drobne i bardziej owalne).

OZDZIAŁ

Strona

182

Zastosowanie siluminów:

• siluminy eutektyczne i nadeutektyczne wykazujące wyso-

ką Ŝarowytrzymałość są stosowane na wysokoobciąŜone
tłoki silników spalinowych,

• siluminy podeutektyczne stosowane są na silnie obciąŜone

części dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracujące-
go w podwyŜszonej temperaturze i w H

O morskiej,

• wieloskładnikowe stopy Al z Si są stosowane m.in. na gło-

wice silników spalinowych alufelgi oraz inne odlewy stoso-
wane w przemyśle samochodowym.

Obok siluminów w grupie odlewniczych stopów Al znajdują się:

• Najczęściej stosowane po siluminach, stopy Al – Mg zawie-

rające do 10% Mg. Podlegają umocnieniu wydzieleniowemu
dzięki wydzieleniom fazy Mg

Si. Swoją popularność za-

wdzięczają odporności na korozję oraz najmniejszej gęstoś-
ci. Stosowane na elementy aparatury chemicznej, oraz ele-
menty silnie obciąŜone i naraŜone na uderzenia.

• Stopy Al – Cu zawierające do 5% Cu, które podlegają obrób-

ce  cieplnej  powodującej  znaczący  wzrost  ich  właściwości
wytrzymałościowych,  stosowane  są  na  bardzo  obciąŜone
elementy  maszyn.  Między  innymi  w  przemyśle  motoryza-
cyjnym i lotniczym.

Stopy aluminium do obróbki plastycznej

Stopy do obróbki plastycznej to przede wszystkim stopy z magnezem,
manganem, miedzią, cynkiem oraz dodatkiem innych pierwiastków.
W zaleŜności od potrzeb stopy te przerabia się plastycznie na zimno lub
gorąco przez:

• walcowanie na zimno oraz na gorąco do wytwarzania: płyt,

blach, taśm, folii,

• ciągnienie na gorąco oraz na zimno do wytwarzania: drutów,

prętów, rur, kształtowników,

• wyciskanie i kucie na gorąco do otrzymywania kształtek.

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

183

Stopy te dzieli się na 2 grupy:

• utwardzone wydzieleniowo,

• nieutwardzone wydzieleniowo.

Gatunkami stopów aluminium, które ze względu na nieznaczną rozpusz-
czalność  składnika  stopowego  w  aluminium,  nie  podlegają  umocnieniu
wydzieleniowemu,  są  stopy  aluminium  serii  3000  z  manganem
(Al  –  Mn).  MoŜna  teŜ  do  nich  zaliczyć  stopy  serii  5000  z  magnezem
(Al – Mg i Al – Mg – Mn), w których efekt umocnienia wydzieleniowego
jest nieznaczny.

Stopy z Mg do obróbki plastycznej zawierają do 5,6 % Mg i są stopami
dwufazowymi o strukturze granicznego roztworu stałego

(Mg w Al),

ze zmniejszającą się rozpuszczalnością Mg wraz z obniŜeniem tempera-
tury) oraz wydzieleniami fazy

Podlegają  umacnianiu  przez  roztwór,  które  jest  wyjątkowo  skuteczne,
szczególnie w przypadku znacznego przesycenia atomami Mg, co przed-
stawiono  w  tabeli  11.4.  UmoŜliwia  to  zarówno  duŜa  róŜnica  promieni
atomowych  Mg  i  Al  jak  i  znaczne  zmniejszenie  rozpuszczalności  Mg
w Al wraz z obniŜeniem temperatury.

Tabela 11.4. Granica plastyczności stopów serii 5000 (A l– Mg) wg [13]

Stop

[% wag.]

[MPa]

EN AW– 5005

0,8

EN AW– 5050

1,5

EN AW– 5052

2,5

90 (przesycony)

EN AW– 5454

2,7

120 (przesycony)

EN AW– 5083

4,5

145 (przesycony)

EN AW– 5456

5,1

160 (przesycony)

OZDZIAŁ

Strona

184

Tabela 11.5. Granica plastyczności stopów Al w stanie wyŜarzonym i po
obróbce plastycznej na zimno wg [13]

Stop

[MPa]

w stanie

wyŜarzonym

[MPa]

w stanie

„półtwardym”

[MPa]

w stanie

„twardym”

EN AW– 1100

115

145

EN AW– 3005

140

185

EN AW– 5456

140

300

370

Dodatkowe umocnienie zapewnia zgniot wywołany obróbką plastyczną
na zimno. Efekt obróbki plastycznej stopów Al przedstawia tabela 11.5.

Stopy aluminium z magnezem charakteryzują się:

• podwyŜszonymi właściwościami wytrzymałościowymi,

• odpornością na korozję,

• dobrą spawalnością,

• podatnością na głębokie tłoczenie.

Przykładem stopu tej serii jest: AlMg4,5Mn (hydronalium). Odporny na
korozję, spawalny. Dostarczany w postaci blach, rur, prętów, drutów
i kształtowników. Pręt ciągniony w stanie twardym cechuje
R

= 300 MPa, A = 9%. Stosowany na średnio obciąŜone elementy kon-

strukcji okrętowych, nadbudówki statków, urządzenia przemysłu che-
micznego.

Stopy podwójne Al – Mn stosuje się na róŜnego rodzaju wsporniki, obu-
dowy, do wyrobu ram okiennych, drzwiowych i w stolarce otworowej.

W stopach Al – Mn – Mg moŜna uzyskać Rm na poziomie 280 MPa,
przy wydłuŜeniu A = 8%. Powszechnym zastosowaniem tych stopów są
popularne puszki do róŜnego rodzaju napojów, w których grubość ścian-
ki bocznej wynosi 0,3 mm.

Niektóre  stopy Al obok umacniania przez zgniot, mogą podlegać umac-
nianiu  wydzieleniowemu,  polegającemu  na  wytworzeniu  w  stopie  dys-
persyjnych  wydzieleń,  blokujących  przemieszczanie  się  dyslokacji.  Po-
lepszenie  właściwości  wytrzymałościowych  tych  stopów  uzyskuje  się
przez  obróbkę  cieplną  złoŜoną  z  przesycania  i  starzenia,  która  została
przedstawiona  w  rozdziale  8.  Do  stopów,  w  których  moŜliwy  jest  ten
rodzaj  umocnienia  zalicza  się  stopy  typu  Al  –  Cu,  Al  –  Cu  –  Mg,

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

185

Al – Mg – Si, Al – Zn – Mg, Al – Zn – Mg – Cu o strukturze złoŜonej
z roztworu

na bazie aluminium i faz międzymetalicznych.

Typowym przykładem umacniania wydzieleniowego stopów metali jest
proces wydzielania w stopach Al – Cu. Maksymalna rozpuszczalność Cu
w Al w temperaturze 548°C wynosi 5,7% i gwałtownie spada wraz z ob-
niŜaniem temperatury do wartości 0,1% w temperaturze pokojowej. Daje
to moŜliwości zwiększenia wytrzymałości tych stopów przez umocnienie
wydzieleniowe, które składa się z następujących etapów:

• nagrzanie stopu do temperatury 500÷580°C (powyŜej gra-

nicznej rozpuszczalności Cu w Al) wygrzaniu w tej tempera-
turze w celu rozpuszczenia miedzi w aluminium.

• przesycenie roztworu stałego

(Cu w Al) przez szybkie

chłodzenie z temperatury ok. 500

÷580 °C ,

• starzenie przesyconej fazy

w celu wydzielenia fazy mię-

dzymetalicznej o duŜym stopniu dyspersji, które zachodzi
w wyniku starzenia naturalnego w temperaturze pokojowej
(kilka dni) lub starzenia sztucznego w wyniku wygrzewania
w temperaturze od 100

÷180°C.

Przemiana przesyconego roztworu

w równowagową mieszaninę nasy-

conego roztworu

i fazę CuAl

ze względu na małą ruchliwość atomów

zachodzi w czterech etapach.

Największe  znaczenie  praktyczne  mają  stopy  Al  –  Cu  –  Mg,  znane  pod
nazwą  durali  (2÷5%  Cu  i  poniŜej  2%  Mg).  Dodatkowo  wytrzymałość
tych  stopów  moŜna  zwiększyć  przez  zastosowanie  obróbki  plastycznej
(gniot 3

÷5%) stosowanej po starzeniu naturalnym.

Stopy te charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzymałościo-
wymi, małą Ŝaroodpornością i odpornością na korozję i stosowane są na
mocno obciąŜone elementy konstrukcji, w tym równieŜ samolotów
i pojazdów (np. AlCu4Mg1).

OZDZIAŁ

Strona

186

Tabela 11.6. Przykłady stopów wieloskładnikowych Al – Cu do obróbki
plastycznej (wyroby wyciskane) wg PN EN 573-3:2007

Minimalne właściwości

Znak stopu

EN AW:

p0,2

[MPa]

[%]

Stan stopu

AlCu4MgSi

270

400

Przesycanie, starzenie
naturalne

AlCu4Mg1

310

450

Przesycanie, zgniot,
starzenie naturalne

AlCu4SiMn

420

465

Przesycanie, starzenie
sztuczne

Wieloskładnikowe stopy Al – Cu zawierają oprócz Mg, Si i Mn równieŜ
Fe,  Ti,  Zr,  lub  Ni.  Charakteryzują  się  dobrymi  właściwościami  wytrzy-
małościowymi (tabela 11.5) oraz wysoką Ŝaroodpornością i dobrą odpor-
nością  na  korozję.  Stosowane  są  na  elementy  konstrukcji  pracujące
w temperaturze  ok.  350°C.  Właściwości  ich  są  jednak  niŜsze  od  durali
i nie  naleŜy  ich  stosować  na  elementy  konstrukcji  pracujące  wyłącznie
w temperaturze pokojowej.

Innymi stopami umacnianymi wydzieleniowo są stopy z układu Al – Si –
Mg oraz Al – Zn – Mg. Szczególnie ten ostatni odznacza się wyjątkowo
wysokimi właściwościami wytrzymałościowymi, dlatego jest stosowany
na najsilniej obciąŜone elementy konstrukcji lotniczych oraz innych
ś

rodków transportu.

Ich wadą jest mała odporność korozyjna, a szczególnie duŜa skłonność
do korozji napręŜeniowej.

Przykładem moŜe być stop: AlZn6Mg2Cu. Pręt wyciskany, przesycony,
zgnieciony i starzony wykazuje: R

= 540 MPa, A = 7 %. Stosowany na

znacznie obciąŜone elementy konstrukcji lotniczych, środków transportu
i maszyn.

Stopy aluminium z litem ze względu na małą gęstość litu (0,53 Mg/m

)

są  wyjątkowo  atrakcyjne  dla  przemysłu  lotniczego  i  kosmicznego.
Wprowadzenie 1% Li zmniejsza gęstość stopu  Al o ok. 3% zwiększając
równocześnie sztywność (moduł Younga) o 6%! Ponadto lit wyjątkowo
korzystnie wpływa na wytrzymałość zmęczeniową oraz wiązkość w nis-
kiej  temperaturze  (−196  °C).  Obok  litu  występuje  zwykle  Cu,  Mg  lub/i
Zr  (cyrkon).  Wieloskładnikowe  stopy  Al  –  Li  po  umocnieniu  wydziele-
niowym i walcowaniu, osiągają R

do 700 MPa przy R

dochodzącym do

670 MPa.

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

187

11.2. Miedź i jej stopy

Miedź  jest  metalem  stosowanym  od  czasów  prehistorycznych  na  długo
przed wykorzystaniem Ŝelaza. Obecnie jest jednym z droŜszych i deficy-
towych  metali.  Krystalizuje  w  sieci  regularnej  ściennie  centrowanej
RSC.  W  stanie wyŜarzonym,  czysta miedź charakteryzuje się duŜą plas-
tycznością oraz przeciętnymi właściwościami wytrzymałościowymi, któ-
re moŜna podwyŜszyć przez zgniot lub wprowadzenie odpowiednich do-
datków stopowych. Jej wysoka gęstość wynosząca 8,94 Mg/m

sprawia,

e wytrzymałość właściwa miedzi jest bardzo niska, co w znacznym

stopniu ogranicza stosowanie miedzi i jej stopów na elementy konstruk-
cji. Właściwości mechaniczne miedzi przedstawiono w tabeli 11.7.

Tabela 11.7. Właściwości mechaniczne miedzi

Właściwości

Miedź w stanie

wyŜarzonym

Miedź w stanie

zgniecionym

(60-80%)

Twardość

45 HBW

120 HBW

Wytrzymałość na
rozciąganie

=200÷250 [MPa]

= 400÷450 [MPa]

Granica plastyczności

= 35 [MPa]

----

WydłuŜenie

= 30÷ 35 [%]

= 1÷ 2 [%]

Moduł spręŜystości

E = 124000 [MPa]

Miedź cechuje równieŜ duŜa przewodność cieplna i elektryczna oraz od-
porność na korozję atmosferyczną i działanie wody, którą uzyskuje dzię-
ki pokrywaniu się powierzchni zasadowym węglanem miedziowym (pa-
tyną), nie wykazuje natomiast odporności na działanie amoniaku.

Miedź stosowana jest:

• w elektrotechnice na przewody,

• w energetyce i przemyśle chemicznym na chłodnice i wy-

mienniki ciepła,

• w budownictwie na blachy do pokryć dachowych oraz rury

do róŜnych instalacji.

OZDZIAŁ

Strona

188

Klasyfikację stopów miedzi przeprowadza się ze względu na sposoby
wytwarzania na:

• odlewnicze,

• przeznaczone do obróbki plastycznej

oraz ze względu na skład chemiczny na:

• brązy – stopy miedzi z cyną (Sn)

• mosiądze – stopy miedzi z cynkiem (Zn)

• miedzionikle – stopy miedzi z niklem (Ni)

Stopy miedzi oznaczane są symbolem miedzi, po którym znajdują się
symbole dodatków stopowych i ich zawartości. Pierwiastki wymienione
są w kolejności malejącego stęŜenia, np. CuSn5Pb1.

Brązy

Brązy to stopy miedzi z cyną lub innymi metalami dwu lub wieloskład-
nikowe, w których zawartość miedzi zawiera się w granicach 80÷90%
wagowych.

Podstawy dodatek stopowy, jakim jest cyna zaczęto zastępować innymi
tańszymi pierwiastkami i tak obecnie dostępne są: brąz cynowy, brąz
aluminiowy, brąz manganowy, brąz krzemowy i brąz berylowy.

Brązy charakteryzują się następującymi właściwościami:

• dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi i przeciw-

ciernymi,

• są łatwo obrabialne, odporne na wysoką temperaturę oraz

korozję.

Natomiast zastosowanie brązów jest ograniczone ze względu na ich
wysoką cenę i niską wytrzymałość właściwą.

Brązy cynowe

Są to stopy miedzi z cyną zawierające do 10 % Sn. Ze względu na małą
szybkość dyfuzji brązy cynowe wykazują duŜą skłonność do segregacji,
stąd konieczność ich homogenizacji (700 °C/24h). Charakteryzują się
bardzo dobrą odpornością na korozję w warunkach atmosferycznych jak
i w wodzie morskiej. Nie są wraŜliwe na korozję napręŜeniową.

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

189

Przy małych zawartościach cyny (do 4 %) mają strukturę roztworu a (Sn
w Cu). Wraz ze zwiększeniem stęŜenia Sn w strukturze pojawią się fazy
międzymetaliczne najczęściej faza

wchodząca w skład mieszaniny

eutektoidalnej.

Rysunek 11.2. Wpływ zawartości Sn na właściwości

brązów cynowych wg [12]

Stopy  o  budowie  jednofazowej  wykazują  dość  dobre  właściwości  plas-
tyczne i mogą być poddawane obróbce plastycznej. Obecność eutektoidu
w  stopie  powoduje  wyraźne  obniŜenie  właściwości  plastycznych.  Mak-
symalne wydłuŜenie uzyskuje się przy zawartości ok. 4 % Sn. Natomiast
największą wytrzymałość na rozciąganie brązy cynowe osiągają przy ok.
8  %  Sn.  PowyŜej  tej  zawartości  cyny,  wydłuŜenie  stopów  jest  bliskie
zeru.

Brązy  do  obróbki  plastycznej  na  zimno  zawierają  do  8%  Sn.
Najczęściej  stosowanymi  z  tej  grupy  brązami  są:  CuSn4,  CuSn7
i CuSn8.  Po  obróbce  plastycznej  brązy  te  wykazują  dobre  właściwości
mechaniczne  i  stosowane  są  w  formie  blach,  prętów,  drutów,  rurek  na
róŜne elementy przyrządów pomiarowych, precyzyjnych, siatki, spręŜyny,
membrany itp. Zgniot powoduje silne umocnienie stopu, np. przy zawar-
tości  7%  Sn  zgniot  50%  powiększa  R

z 390 do 740 MPa. ZaleŜnie od

stopnia zgniotu wyróŜnia się stany stopu: wyŜarzony, twardy i spręŜysty.
W celu uplastycznienia materiału stosowane jest międzyoperacyjne
wyŜarzanie rekrystalizujące, które moŜe być równieŜ końcowym etapem
procesu kształtowania wyrobu.

Brązy zawierające powyŜej 8% Sn (zwykle ok. 10%) stosowane są na
odlewy części maszyn silnie obciąŜonych i pracujących na ścieranie
(koła zębate, ślimacznice, wirniki pomp, itp.). Dodatek ok. 1% fosforu do

OZDZIAŁ

Strona

190

brązu  powoduje  wzrost  twardości,  odporności  na  ścieranie  i  poprawia
właściwości  ślizgowe,  cynk  poprawia  właściwości  odlewnicze,  a  ołów,
nietworzący  roztworów,  polepsza  skrawalność,  zmniejsza  współczynnik
tarcia i korzystnie wpływa na szczelność odlewów.

Brązy cynowo – fosforowe oraz cynowo – cynkowo – ołowiowe stosu-
je się głównie na tulejki i panewki łoŜyskowe oraz części maszyn, apara-
tury i armatury wodnej.

Brązy aluminiowe

Brązy aluminiowe (brązale) zawierają do 11% Al, są stopami znacznie
tańszymi od brązów cynowych, a szereg ich własności uŜytkowych (np.
odporność na korozję, wytrzymałość, plastyczność oraz cięŜar właściwy)
jest wyŜsza. Właściwości mechaniczne brązów aluminiowych zaleŜą od
zawartości Al i osiągają optimum przy 9

÷10% Al.

Charakteryzują się:

• wysokimi właściwościami mechanicznymi,

• wysoką odpornością na korozję, zwłaszcza na działanie wo-

dy morskiej,

• dobrymi właściwościami ślizgowymi i odpornością na ście-

ranie.

Własności  mechaniczne  brązów  aluminiowych  moŜna  polepszyć  wpro-
wadzając  do  nich  kolejne  dodatki  takie  jak,  Fe,  Mn  i  Ni  co daje moŜli-
wość  zwiększenia  ich  właściwości  wytrzymałościowych  przez  ulepsza-
nie cieplne. MoŜna je przerabiać plastycznie na zimno i gorąco.

Znajdują zastosowanie w przemyśle maszynowym, okrętowy i chemicz-
nym do produkcji:

• panewek łoŜysk ślizgowych,

• kół zębatych,

• gniazd zaworów,

• elementów konstrukcji stosowanych w przemyśle chemicz-

nym,

• elementów pracujących w wodzie morskiej, w tym takŜe

ruby okrętowe,

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

191

• do wytwarzania monet.

Brązy berylowe

Techniczne stopy Be zawierają do 2,5% Be oraz dodatki Ni, Co i Ti
(dodatki te zastępując Be obniŜają cenę oraz poprawiają ich własności ).
Stopy te są przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno i gorąco.

Ten rodzaj brązów cechują:

• najwyŜsze właściwości mechaniczne,

• wysoka odporność na korozję,

• bardzo dobra przewodność elektryczna,

• brak iskrzenia przy uderzeniach.

Wzrost właściwości wytrzymałościowych uzyskuje się po zastosowaniu
obróbki plastycznej na zimno lub/i utwardzeniu wydzieleniowym. Po
starzeniu osiągają R

= 1400 MPa oraz twardość 350 HV. Wartości te są

porównywalne z wartościami uzyskiwanymi dla stali stopowych.

Brązy  berylowe  stosuje  się  do  wyrobu  spręŜyn  amortyzatorów  lotni-
czych,  niemagnetycznych  elementów  aparatury  precyzyjnej,  niektórych
łoŜysk  ślizgowych,  elementów  pomp,  szczotek  silników  elektrycznych
i przewodów  trakcji  elektrycznej  oraz  narzędzi  i  elementów  maszyn  do
pracy w pomieszczeniach zagroŜonych wybuchem (narzędzia nie iskrzą).

Mosiądze

Mosiądze to stopy miedzi z cynkiem o zawartości Zn do 45%. Większe
zawartości cynku powodują tworzenie się twardych faz międzymetalicz-
nych, które zwiększają znacznie kruchość stopu.

Mosiądze odznaczają się:

• dobrą odpornością korozyjną,

• dobrymi właściwościami mechanicznymi,

• dobrym przewodnictwie cieplnym i elektrycznym,

• moŜliwością wytwarzania stopów Cu – Zn o szerokim spek-

trum właściwości,

OZDZIAŁ

Strona

192

• moŜliwością modyfikacji mosiądzów przez dodanie innych

składników stopowych.

Dwuskładnikowe stopy Cu z Zn ze względu na skład fazowy dzieli się
na:

• jednofazowe - o strukturze roztworu

(Zn w Cu) i stęŜeniu

od 2 do 39% Zn,

• dwufazowe o strukturze mieszaniny

(roztwór na bazie

fazy CuZn) i stęŜeniu od 39 do 45% Zn.

Właściwości wytrzymałościowe mosiądzu jednofazowego, w wyniku
umocnienia roztworowego, wzrastają wraz ze wzrostem zawartości Zn.
Dodatek Zn do ok. 30% zwiększa wytrzymałość z jednoczesnym zwięk-
szeniem plastyczność.

Rysunek 11.3. Wpływ zawartości cynku na właściwości mechaniczne

stopów Cu - Zn wg [8]

W związku z tym, iŜ stopy te są plastyczne dalszy wzrost wytrzymałości
moŜna osiągnąć przez obróbkę plastyczną na zimno. W wyniku zastoso-
wania  obróbki  plastycznej  na  zimno  i  wyŜarzania  rekrystalizującego
uzyskuje  się  mosiądze  jednofazowe  o  szerokim  spektrum  właściwości
wytrzymałościowych,  które  określane  są  odpowiednimi  stanami:  wyŜa-
rzonym, półtwardym, twardym i spręŜystym. DuŜa plastyczność, umoŜli-
wia stosowanie ich na produkty głęboko tłoczone i obrabiane plastycznie
na zimno.

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

193

Wytrzymałość stopów zawierających ok. 30 do 45% Zn zwiększa się
przy znacznym zmniejszeniu plastyczności. WiąŜe się to z obecnością
fazy

‘ w stopach dwufazowych i dlatego moŜna je obrabiać plastycznie

wyłącznie na gorąco w temperaturze, w której mają strukturę jednofazo-
wą.

Mosiądze do przeróbki plastycznej w zaleŜności od zawartości Zn stoso-
wane są na:

• 4% Zn – rurki chłodnic, łuski amunicji małokalibrowej,

• 10% Zn – blachy do platerowania

• 15÷20% Zn – wyroby artystyczne, węŜownice, membrany

manometrów, siatki,

• 30÷32% Zn – blachy do głębokiego tłoczenia, łuski pocis-

ków, rury skraplaczy pary,

• 37% Zn – rurki chłodnic samochodowych, rury skraplaczy,

• 40% Zn – elementy kute i prasowane na gorąco, śruby z wy-

gniatanym gwintem.

Znaczącą  grupę  stopów  Cu  –  Zn  stanowią  mosiądze  wieloskładnikowe,
do  których  dodawane są inne pierwiastki jak: Pb, Fe, F, P, Mn, Sn, Al,
Ni, Si i inne. Powodują one dodatkowe umocnienie stopów lub/i modyfi-
kują  proces  krystalizacji.  Mosiądze  wieloskładnikowe  często  zastępują
znacznie droŜsze brązy cynowe. Mosiądze cynowe (CuZn28Sn1), alumi-
niowe  (CuZn2lAl2),  manganowe  (CuZn40Mn)  stosuje  się  w  przemyśle
okrętowym  na  rury  chłodnic,  na  odlewy  armatury  i  części  maszyn  czy
ś

ruby okrętowe (CuZn50Mn3Fe). Dzięki dobrym właściwościom

spręŜystym mosiądz niklowy (CuZn29Ni6) uŜywany jest na rury i mem-
brany  manometrów.  Na  elementy  precyzyjne  obrabiane  metodami
obróbki  skrawaniem  wykorzystuje  się  mosiądze  ołowiowe  (np.
CuZn34Pb3),  zaś  mosiądze  cynowe  (<  1%Sn)  do  wyrobu  części  dla
przemysłu motoryzacyjnego (np. CuZn38Sn).

Mosiądze odlewnicze zawierają 38÷40% Zn mają budowę dwufazową.
Charakteryzują się dobrą lejnością oraz dobrym wypełnieniem form.

Platerowanie – nakładanie powłoki ochronnej w postaci cienkiej warstwy metalu
połączonej z warstwą podłoŜa metodą walcowania na gorąco (nawalcowywania),
tłoczenia wybuchowego, odlewania odśrodkowego i dalszej obróbki plastycznej lub
przez tzw. nakładanie skurczowe.

OZDZIAŁ

Strona

194

Stopy  te  odlewa  się  zwykle  w  formach  metalowych  zapewniających
duŜą szybkość chłodzenia, a przez to odpowiednie rozdrobnienie struktu-
ry zapewniające dobre  właściwości mechaniczne. Ze względu na znacz-
na  odporność  korozyjną stosowane są do  produkcji armatury sanitarnej,
gazowej i hydraulicznej.

Odlewy  wykonuje  się  na  ogół  z  mosiądzów  wieloskładnikowych,  za-
wierających Al, Mn,  oraz Fe. Aluminium i mangan podwyŜszają odpor-
ność na działanie wody morskiej i stosuje się je na odlewy dla przemysłu
okrętowego  (CuZn30Al13),  w  tym  odlewy  śrub  okrętowych
(CuZn50Mn3Fe). Ten  ostatni wykorzystuje się równieŜ na duŜe odlewy
słabo obciąŜone statycznie.

Miedzionikle

Miedzionikle to stopy Cu – Ni, w których zawartość niklu moŜe sięgać
nawet 40%. Zawierają równieŜ do 1% Si i do 2%: Al, Fe, Mn.

Charakteryzują się:

• dobrą wytrzymałością (R

= 400

÷600 MPa, A

= 15

÷30%),

• Ŝaroodpornością,

• odpornością na korozję,

• dobrymi właściwościami oporowymi.

Miedzionikle dostarczane są jako wyroby po obróbce plastycznej w po-
staci blach, drutów, prętów, taśm i rur. MoŜna je podzielić na dwie gru-
py: stopy odporne na korozję i stopy oporowe. Wykonuje się z nich częś-
ci aparatury chemicznej, elementy dla przemysłu okrętowego, narzędzia
medyczne, monety itp.

OZDZIAŁ

Strona

196

Klasyfikacja tworzyw ceramicznych

Materiały ceramiczne to nieorganiczne i niemetaliczne ciała stałe, które
wg [13] moŜna podzielić na:

• ceramikę tradycyjną – krzemianową (porcelana, fajans, wy-

roby budowlane) otrzymywaną z naturalnych surowców
o cząstkach mikrometrycznych takich jak kaoliny i glino-
krzemiany),

• nowoczesną ceramikę specjalną, do której zaliczamy cerami-

kę tlenkową i beztlenkową (węgliki, azotki, borki) otrzymy-
waną z syntetycznych proszków o wielkości cząstek mikro
i nanometrycznych.

• szkła na bazie SiO

• cement i beton wielofazowe mieszaniny ceramiczne,

• skały i minerały.

Ceramika  specjalna  (techniczna,  inŜynierska)  jest  zróŜnicowaną  grupą
materiałów ceramicznych, które przynajmniej jedną ze swoich cech mają
na  tyle  atrakcyjną, Ŝe znajdują zastosowanie w technice lub medycynie.
Wytwarzana  jest  ona  w  wyniku  spiekania  w  wysokiej  temperaturze
(1500

÷2100 °C), związków takich jak: węgliki, azotki i tlenki.

Spiekanie jest procesem polegającym na przemianie materiału sproszko-
wanego w ciało polikrystaliczne w wyniku działania wysokiej tem-
peratury (0,40÷0,85 temperatury topnienia przewaŜającego składnika).

Rysunek 12.1. Klasyfikacja ceramiki specjalnej ze względu na skład

chemiczny

WORZYWA CERAMICZNE

Strona

197

Rysunek 12.2. Klasyfikacja ceramiki specjalnej

ze względu na zastosowanie

Ze  względu  na  strukturę,  tworzywa  ceramiczne  dzielimy  na  materiały
amorficzne,  do  których  zaliczany  szkło  oraz  materiały  krystaliczne,  do
których zaliczamy pozostałe tworzywa ceramiczne.

Wśród krystalicznych tworzyw ceramicznych, ze względu na występują-
cy w nich rodzaj wiązań międzyatomowych, wyróŜnia się: ceramikę jo-
nową i ceramikę kowalencyjną.

W ceramikach jonowych dominującym wiązaniem chemicznym jest
wiązanie jonowe. Zaliczamy do nich związki metalu z niemetalem takie
jak ZrO

, NaCl, MgO, Al

. Jony metalu i niemetali mają ładunki

o przeciwnych znakach i dąŜą do jak najgęstszego ułoŜenia w przestrzeni
tak, aby jony o przeciwnych ładunkach znajdowały się jak najbliŜej
siebie, a jony o tych samych ładunkach nie stykały się ze sobą.

Jeśli w strukturze występuje równowaga między kationami – jonami
metali i anionami – jonami niemetali, materiały ceramiczne z wiązaniami
jonowymi, mają stabilną strukturą. W strukturze krystalicznej większości
ceramik jonowych aniony zajmują miejsca w węzłach sieci krystalicznej
(najczęściej RSC, RPC oraz HZ), natomiast kationy lokują się w lukach
oktaedrycznych lub tetraedrycznych, jak przedstawiono na rysunku 12.3.

WORZYWA CERAMICZNE

Strona

199

Ceramika znajduje zastosowanie w róŜnych dziedzinach gospodarki, np.
w budownictwie, elektronice, hutnictwie a takŜe, jako materiały kon-
strukcyjne. Wyroby ceramiczne bardzo często stosowane są w miejscach
naraŜonych na działanie czynników atmosferycznych, agresywnych sub-
stancji oraz wysokich temperatur. W tabeli 12.1 i 12.2 podano przykła-
dowe zastosowanie ceramiki tradycyjnej i specjalnej.

Tabela 12.1. Przykładowe zastosowanie ceramiki tradycyjnej

Ceramika

Przykładowe wyroby

Materiały

Ceramika ozdobna,
uŜytkowa.

Zastawy stołowe oraz
wyroby dekoracyjne.

Porcelana stołowa, porcelit,
fajans, szkło.

Ceramika sanitarna.

Urządzenia sanitarne –
umywalki, zlewy itp.

Fajans, ceramika porowata,
kamionka (glin z dodatkiem
szamotu lub piasku
kwarcowego).

Ceramika budowlana
w tym materiały
wiąŜące.

Cegły, dachówki, płytki
ś

cienne i podłogowe,

szkło i cement oraz
beton.

Ceramika porowata z gliny,
kamionka.
Cement (CaO + Al

Si0

Materiały
ogniotrwałe.

Wykładziny pieców,
cegły.

Szamot, fajans, ceramika
porowata, ceramika tlenkowa.

Tabela 12.2. Przykładowe zastosowanie ceramiki specjalnej

Funkcje

ceramiki

Zastosowanie

Materiały

Mechaniczne

Wirniki,
komory spalania,
detale silników
spalinowych,
łoŜyska,
narzędzia skrawające.

Materiały odporne na ścieranie:
Al

, ZrO

, SiC, Materiały

termoodporne: Al

, SiC, Si

Materiały narzędziowe: Al

, SiC,

TiC, TiN, Si

, SiAlON, C,

diament.

Biologiczne

Sztuczne korzenie zębów,
endoprotezy kości
i stawów.

Materiały obojętne biologicznie,
odporne na korozję i ścieranie
Al

, ZrO

Elektryczne i
magnetyczne

Kondensatory
ceramiczne, podłoŜa
elektroniczne elementy
czujników temperatury,
ogniwa słoneczne,
piezoelektryczne
generatory iskrowe,
elementy izolacyjne,
rdzenie cewek, magnesy,
sensory,

Materiały izolacyjne: Al

, BeO,

MgO, AlN,
Materiały ferroelektryczne: BaTiO

SrTiO

Materiały piezoelektryczne: PZT –
Pb(Zr,Ti)O

Materiały półprzewodnikowe: SiC,
ZnO-Bi

, V

Materiały o przewodności jonowej:
Al

, ZrO

OZDZIAŁ

Strona

200

Tabela 12.2. c.d. Przykładowe zastosowanie ceramiki specjalnej

Funkcje

ceramiki

Zastosowanie

Materiały

Optyczne

wietlówki,

wysokociśnieniowe
lampy sodowe, lasery,
przewody
ś

wiatłowodowe.

Przezroczysty: Al

, MgO, mullit

(3Al

·2SiO

), Y

-ThO

Ceramika elektrooptyczna: PLZT –
(Pb,La)(Zr,Ti)O

Chemiczne

Nośniki katalizatorów,
katalizatory, elektrody,
nośniki enzymów,
czujniki gazów, układy
alarmowe przecieku gazu.

Czujniki gazu: ZnO, Fe

, SnO

Nośniki substancji katalitycznych:
kordieryt (2MgO·2Al

·5SiO

Elektrody: tytaniany siarczki, borki.

Z  punktu  widzenia  inŜyniera  mechanika  najwaŜniejsza  jest  ceramika
konstrukcyjna  przeznaczona  na  elementy  pracujące  pod  obciąŜeniem
mechanicznym,  dlatego  teŜ  w  dalszej  części  rozdziału  omówiona  zosta-
nie tylko ta grupa ceramiki.

Wytwarzanie tworzyw ceramicznych

Ceramikę wytwarza się z proszków, które poddaje się prasowaniu w celu
uzyskania  odpowiedniego  kształtu,  a  następnie  wypalaniu  w  odpowied-
niej  temperaturze.  Wypalanie  jest  procesem  konsolidacji  zachodzącym
w wysokich  temperaturach,  w  którym  z  materiału  w  postaci  proszku
uzyskuje się lite tworzywo.

Schematycznie uproszczony proces wytwarzania moŜna przedstawić jak
na rysunku 12.5.

OZDZIAŁ

Strona

202

• identycznym kształtem i rozmiarem cząstek,

• identycznym składem chemicznym oraz strukturą krystalicz-

ną,

• łatwo usuwalną aglomeracją cząstek.

Natomiast metoda syntezy powinna zapewniać:

• powtarzalność procesu,

• odpowiedni koszt wytwarzania proszków,

• moŜliwości przeprowadzenia syntezy w większej skali.

2. Wytwarzanie masy roboczej

Do materiału wejściowego dodawane są dodatki w celu ułatwienia
formowania i / lub spiekania.

3. Formowanie z masy roboczej określonego wyrobu

Jest jednym z waŜniejszych etapów procesu wytwarzania wyrobów cera-
micznych,  w  którym  materiał  wyjściowy  w  postaci  proszku  zostaje
przekształcony  w  zwarty,  zagęszczony  półprodukt  o  określonej  geome-
trii  i  mikrostrukturze.  W  zaleŜności  od  rodzaju  produktu  oraz  konsys-
tencji mas ceramicznych stosuje się róŜne metody formowania.

Dla mas sypkich o wilgotności od 2

÷12% stosuje się formowanie wstęp-

ne przez prasowanie w odpowiedniej formie. Wykorzystywane są:

• prasowanie jednostronne lub dwustronne,

• prasowanie na gorąco,

• prasowanie izostatyczne (prowadzone w komorze wysoko-

ciśnieniowej) na zimno lub na gorąco,

• prasowanie wibracyjne,

• prasowanie detonacyjne,

• prasowanie walcowe.

Stosowanie podwyŜszonej temperatury i wysokiego ciśnienia prowadzi
do skrócenia czasu spiekania i uzyskania materiału o większej gęstości –

WORZYWA CERAMICZNE

Strona

203

bliskiej teoretycznej. Dodatkowo skrócenie czasu spiekania zapobiega
rozrostowi ziaren.

Przez prasowanie uzyskuje się wyroby o wysokim stopniu zagęszczenia i
wysokiej wytrzymałości. Istnieją jednak ograniczenia uzyskiwanych
kształtów. W otrzymywanych wyrobach nie moŜna uzyskać wcięć, pod-
cięć i otworów w kierunku nierównoległym do kierunku prasowania.

Masy plastyczne o wilgotności od 13

÷30% formuje się przez:

• Wytłaczanie za pomocą prasy przez ustnik nadający kształt

wyrobom. Stosowane do otrzymywania rurek, prętów i wy-
robów cienkościennych.

• Wtrysk masy pod ciśnieniem (od 100÷200 MPa) do zam-

kniętej formy. Stosowanz dla wyrobów cienko i grubościen-
nych.

Masy lejne o wilgotności większej od 30% formuje się metodą odlewa-
nia Ŝelowego. Do koloidalnej zawiesiny proszku ceramicznego w wo-
dzie, dodaje się roztworu reaktywnego monomeru organicznego i inicja-
tora polimeryzacji. Po napełnieniu formy zawiesiną następuje jej Ŝelo-
wanie.

4. Wypalanie (spiekanie) półfabrykatu

Wypalanie prowadzi do dyfuzyjnego łączenia cząstek proszku. Spiekanie
jest wynikiem zjawisk przenoszenia masy do pustych przestrzeni
(porów).

Rysunek 12.6. Schemat etapów spiekania a) dociśnięte cząstki proszku,

b) początek spiekania – tworzenie „szyjek”, c) struktura końcowa

zawierająca małe koliste pory

OZDZIAŁ

Strona

204

W sprasowanym proszku podgrzanym do 0,40-0,85 T

cząstki proszku

zaczynają się łączyć tworząc w pierwszym etapie „szyjki” (rysu-
nek 12.6b), które następnie rozrastają się tworząc granice ziaren
(rysunek 12.6c). Szybkość procesów dyfuzyjnych zaleŜna jest od tempe-
ratury.

Jak juŜ wcześniej wspomniano siłą napędową konsolidacji jest energia
powierzchniowa dyspersyjnych proszków. W trakcie spiekania swobod-
na powierzchnia ziaren proszku zanika kosztem pojawiających się granic
ziaren, a tym samym następuje zmniejszenie objętości porów i wypraska
zmniejsza swoją objętość – rysunek 12.6.

Spiekanie w zaleŜności od rodzaju spiekanego tworzywa ceramicznego
prowadzone jest w:

• w powietrzu dla większości tlenków,

• w atmosferze azotu, argonu lub helu dla materiałów nietlen-

kowych.

Jeśli skład atmosfery nie wpływa na proces spiekania, czyli nie wchodzi
w reakcję z materiałem, atmosfera spiekania jest obojętna.

5. Obróbka końcowa

Niejednokrotnie  uŜyteczność  wyrobów  z tworzyw ceramicznych wyma-
ga  modyfikacji  ich  powierzchni  oraz  łączenia  z  innymi  detalami  wyko-
nanymi z innych materiałów. Obróbka końcowa prowadzona jest w celu
wygładzania powierzchni, wyrównania brzegów, wycinania, przecinania
lub  teŜ  perforowania.  Do  obróbki  ceramiki  stosowana  jest  obróbka  me-
chaniczna  (skrawanie,  lub  ścieranie),  laserowa,  elektrochemiczna  i che-
miczna.

Łączenie ceramiki z innymi materiałami moŜna realizować przez:

• klejenie,

• połączenia szkłami

• lutowanie,

• zgrzewanie dyfuzyjne,

• mocowanie za pomocą śrub,

• połączenia gwintowe.

WORZYWA CERAMICZNE

Strona

205

W przypadku tworzyw ceramicznych naleŜy unikać połączeń prowadzą-
cych  do  koncentracji  napręŜeń  (śruby,  nity),  które  mogą  prowadzić  do
kruchego  pękania.  Ceramikę  z  ceramiką  najlepiej  łączyć  wykorzystując
zgrzewanie  dyfuzyjne,  które  przebiega  podobnie  jak  proces  spiekania.
W przypadku  łączenia  ceramiki  z  metalami  najczęściej  stosowane  jest
lutowanie i klejenie.

Mikrostruktura tworzyw ceramicznych

Mikrostruktura ceramiki w duŜym stopniu jest rezultatem sposobu jej
wytwarzania.

Rysunek 12.7. Model mikrostruktury ceramik krystalicznej

Krystaliczne tworzywa ceramiczne, podobnie jak metale, mają strukturę
polikrystaliczną. Poszczególne ziarna są mniej lub bardziej doskonałymi
monokryształami stykającymi się ze sobą tworząc granice ziaren. Mater-
iały ceramiczne praktycznie nigdy nie osiągają gęstości teoretycznej, po-
niewaŜ charakteryzują się pewną, zaleŜna od rodzaju spiekanego proszku
oraz zastosowanej technologii wytwarzania, gęstością porów. Zawarte
w strukturze pory osłabiają materiał, a ich gęstość oraz kształt mają istot-
ny wpływ na właściwości ceramiki.

Właściwości tworzyw ceramicznych

Właściwości materiałów ceramicznych zaleŜne są od:

• rodzaju wiązań międzyatomowych (jonowe, kowalencyjne),

• przestrzennego ułoŜenia atomów – typ sieci krystalicznej,

• defektów sieci krystalicznej,

OZDZIAŁ

Strona

206

• gęstości porów oraz ich kształtu.

Kowalencyjny i jonowy charakter wiązań atomowych nadaje ceramice
następujące właściwości:

Wysoką temperaturę topnienia, która umoŜliwia wysoką temperaturę
pracy.

Tabela 12.3. Temperatura topnienia ceramik w porównaniu z metalami

Rodzaj ceramiki

topnienia

[˚C]

Metale

Węglik hafnu HfC

4150

Węglik tantalu TaC

3850

Grafit C

3800

Węglik cyrkonu ZrC

3520

3370

Wolfram W

Azotek tantalu TaN

3350

Węglik tytanu TiC

3120

2996

Tantal Ta

Borek tytanu TiB

2980

Węglik wolframu WC

2850

Azotek boru BN

2730

2622

Molibden Mo

Tlenek berylu BeO

2570

Węglik krzemu SiC

2500

Tlenek glinu Al

2050

1800

Tytan Ti

Tlenek tytanu TiO

1605

1527

elazo Fe

Wysoką wartością modułu właściwego (

E/ρ

ρ)

Wysoki  moduł  Younga  wynika  z  duŜej  sztywności  wiązań  jonowych
i kowalencyjnych  oraz  niskiej  gęstości  lekkich  atomów  takich  jak  tlen,
węgiel,  aluminium  i  krzemu,  z  których  zbudowane  są  tworzywa  cera-
miczne.

WORZYWA CERAMICZNE

Strona

207

Tabela 12.4. Przykładowe wartości modułu Younga wg [13]

Materiał

Gęstość

ρ [Mg/m

]

Moduł

Younga

E [GPa]

Moduł właściwy

ρ [GPa/Mg×

×m

-3

]

Korund Al

3,9

390

100

Kwarc SiO

2,6

Stale

7,8

210

Stopy
aluminium

2,7

Na  wartość  modułu  spręŜystości  istoty  wpływ  wywiera  mikrostruktura
ceramiki, którą zakładając pewne uproszczenia moŜemy rozpatrzeć, jako
materiał  dwufazowy  składający  się  z  jednofazowego  tworzywa  cera-
micznego  (E

, V

) oraz porów powietrza (E

, V

). Korzystając z reguły

mieszanin moŜna określić, jaki wpływ na wartość modułu Younga
wywierają pory powietrza zawarte w strukturze ceramiki.

E = E1V1 + E2V2 poniewaŜ E2=0 to E = E1V1

gdzie: E

oraz E

– moduły spręŜystości fazy pierwszej i drugiej (pory),

i V

– udział objętościowy kaŜdej fazy.

Pory powietrza i mikropęknięcia powstałe w trakcie procesu technolo-
gicznego wytwarzania ceramik tworzą w strukturze materiału nieciągłoś-
ci, które powodują koncentrację napręŜeń w sieci krystalicznej.

Rysunek 12.8. Koncentracja napręŜeń u wierzchołka pęknięcia

OZDZIAŁ

Strona

208

Na  rysunku  12.8  przedstawiono  sytuację,  w  której  przenoszone  jest  na-
pręŜenie  wzdłuŜ  przerwanych  wiązań  atomowych  (pory,  mikropęk-
nięcia). W  związku z tym, Ŝe przenoszenie obciąŜenia przez rozerwanie
wiązania  jest  niemoŜliwe,  musi  się  ono  odbyć  poprzez  atomy  połoŜone
na wierzchołku pęknięcia, gdzie w konsekwencji następuje koncentracja
napręŜeń.

Tylko w duŜej odległości od powierzchni pęknięcia napręŜenia w mater-
iale są równe napręŜeniom zewnętrznym.

Lok

Gdzie: a – długość pęknięcia,

r – promień krzywizny wierzchołka pęknięcia.

NapręŜenia lokalne (

Lok

) w wierzchołku mogą osiągnąć wielkość równą

teoretycznej wytrzymałości wiązania przy niezbyt duŜych napręŜeniach
zewnętrznych (

). MoŜe, więc wystąpić sytuacja, Ŝe pęknięcia

istniejące  w  materiale  poddawanym  obciąŜeniu,  będą  się  rozwijać  przy
napręŜeniu  zewnętrznym  mniejszym  od  teoretycznej  wytrzymałości  na
rozciąganie,  czyli  wskutek  koncentracji  napręŜeń  nastąpi  propagacja
pęknięcia i zniszczenie materiału.

Koncentracja  napręŜeń  na  nieciągłościach  struktury  jest  szczególnie
istotna w przypadku materiałów kruchych, jakimi są tworzywa ceramicz-
ne. Odporność materiału na kruche pękanie jest miarą energii odkształce-
nia  spręŜystego  pochłoniętej  przez  materiał  przy  propagacji  pęknięcia.
Odporność  materiałów  plastycznych  na  nagłe  pękania  związana  jest
z moŜliwością  odkształcenia  plastycznego  i  tym  samym  relaksacji  kon-
centracji  lokalnych  napręŜeń.  Materiały  kruche  mają  moŜliwość  od-
kształcenia plastycznego w ograniczonym zakresie i dlatego mogą przy-
jąć znacznie mniej energii niŜ materiały plastyczne, co prowadzi do pro-
pagacji  pęknięcia przy znacznie niŜszych napręŜeniach.

Z przedstawionego powyŜej równania wynika, Ŝe wartość

Lok

wzrasta

ze zmniejszeniem promienia krzywizny poru. Z tego powodu pory o ost-
rych zakończeniach powodują znacznie większą koncentracje napręŜeń
niŜ pory o sferycznych kształtach. Uwzględniając koncentrację napręŜeń
na wierzchołkach nieciągłości, otrzymujemy równanie na wartość moduł
spręŜystości E:

E = kE

OZDZIAŁ

Strona

212

Polimery to związki wielkocząsteczkowe, które składają się z wielokrot-
nie powtórzonych jednostek zwanych merami. Mery są grupami tych
samych i tak samo powiązanych atomów.

Olbrzymie zainteresowanie polimerami jak i bardzo szybki rozwój prze-
mysłu związanego z przetwórstwem tworzyw sztucznych wynika przede
wszystkim z:

• niskiej ceny surowców i gotowych wyrobów,

• dostępności surowców,

• łatwości kształtowania wyrobów o skomplikowanych kształ-

tach i estetycznym wyglądzie,

• stosunkowo duŜej odporności chemicznej,

• izolacyjnych właściwości cieplnych i elektrycznych,

• małej gęstości, a przez to korzystnego stosunku wytrzyma-

łości mechanicznej do gęstości,

• moŜliwość wytwarzania z wykorzystaniem polimerów wy-

sokowytrzymałych materiałów kompozytowych.

Podstawowym  ograniczeniem  stosowania  polimerów  jest niewielka  wy-
trzymałość,  sztywność,  twardość  oraz  skłonność  do  odkształcenia  pod
stosunkowo  niewielkim  obciąŜeniem  (pełzanie)  nawet  w  temperaturze
pokojowej oraz podatność na degradację pod wpływem promieni UV.

Rysunek 13.1. Rozwój światowej produkcji materiałów polimerowych

wg [11]

OZDZIAŁ

Strona

214

• kopolimery – makrocząsteczki zbudowane są, z co najmniej

dwóch merów.

Głównym powodem otrzymywania kopolimerów są ich szczególne
własności fizyczne, których nie mogą posiadać homopolimery i ich
proste mieszaniny zawierające te same mery.

Kolejna klasyfikacja odnosi się do rodzaju reakcji otrzymywania polime-
rów.

Surowcami do otrzymywania polimerów syntetycznych są przede
wszystkim ropa naftowa oraz gaz ziemny i węgiel kamienny.

Polimery  otrzymujemy  w  wyniku  łączenia  prostych  cząsteczek  tego  sa-
mego związku  chemicznego (monomerów)  w makrocząsteczki o duŜym
cięŜarze  cząsteczkowym.  Monomery  łączą  się  ze  sobą  lub  innymi  czą-
stkami dzięki występowaniu w nich, co najmniej dwóch ośrodków reak-
tywnych  (wiązanie  nienasycone,  grupy  chemiczne,  pierścienie  reaktyw-
ne) tworząc długie łańcuchy powtarzających się merów.

Reakcje łączenia monomerów w makrocząsteczki polimerów syntetycz-
nych to:

• polimeryzacja, która polega na tworzeniu makrocząsteczek

w wyniku połączenia cząsteczek tego samego typu,

• kopolimeryzacja, w czasie której tworzone są makroczą-

steczki kopolimerów w wyniku przyłączania dwu lub więcej
rodzajów monomerów,

• polikondensacja, która jest reakcją dwuetapową, w pierw-

szym  etapie  następuje  reakcja  chemiczna  z  wydzieleniem
produktu  ubocznego,  który naleŜy usunąć, natomiast  w dru-
gim  łączenie  merów (mer w polimerze  ma nieco inny skład
od substancji wyjściowej).

Budowa makrocząsteczek i struktura
polimerów oraz ich wpływ na właściwości
polimerów

Właściwości polimerów w duŜym stopniu zaleŜne są od budowy
makrocząsteczek oraz struktury polimeru, a w szczególności od:

OLIMERY

Strona

215

• wielkości sił działających między cząsteczkami,

• cięŜaru cząsteczkowego (długość makrocząsteczki),

• konfiguracji i giętkości makrocząsteczek (moŜliwość obrotu,

łańcucha i podatność na wyginanie),

• stopnia krystalizacji struktury polimeru.

Przykładem homopolimeru jest polipropylen. Na rysunku 13.3 przedsta-
wiono schemat reakcji polimeryzacji etylenu oraz schemat makroczą-
steczki polietylenu i polistyrenu.

Rysunek 13.3. Schemat a) reakcji polimeryzacji etylenu,

b) makrocząsteczki polietylenu, c) makrocząsteczki polistyrenu

Liczba  merów  w  makrocząsteczce  określa  stopień  jego  polimeryzacji
i wpływa na długość i cięŜar cząsteczkowy polimeru, co z kolei ma istot-
ny  wpływ  na  jego  właściwości.  Wraz  ze  wzrostem  średniego  cięŜaru
cząsteczkowego  wzrasta  między  innymi:  wytrzymałość,  lepkość  oraz
temperatura mięknięcia polimeru. Wynika z tego, Ŝe próbki tego samego
polimeru  róŜniące  się  wielkością  i  cięŜarem  makrocząsteczek  charakte-
ryzują  się  róŜnymi  właściwościami.  Jest  to  istotne  z  punku  widzenia

OZDZIAŁ

Strona

216

określania stałych materiałowych danego tworzywa, które mogą być
róŜne nawet dla poszczególnych partii tego samego polimeru. Efekt ten
związany jest ze statystycznym charakterem reakcji.

Wszystkie  polimery  zbudowane  są  z  długich  cząstek  składających  się
z monomerów połączonych w łańcuchy główne za pomocą chemicznych
wiązań  kowalencyjnych.  Łańcuchy  mogą  być  liniowe,  rozgałęzione  lub
usieciowane  (rysunek  13.4).  W  polimerach  liniowych  i  rozgałęzionych
łańcuchy  połączone  są  między  sobą  za  pomocą  znacznie  słabszych
drugorzędowych wiązań międzycząsteczkowych, takich jak siły Van der
Waalsa oraz wiązania wodorowe.

Słabe wiązania między łańcuchami umoŜliwiają łatwe przemieszczanie
się łańcuchów względem siebie pod wpływem przyłoŜonego obciąŜenia,
a tym samym dobrą odkształcalność polimerów o budowie liniowej.

Rysunek 13.4. Konfiguracja makrocząsteczek polimerów a) liniowa,

b) rozgałęziona, c) usieciowana

Natomiast  polimery  usieciowane  charakteryzuje  się  występowaniem
kowalencyjnych  sieciujących  wiązań  poprzecznych,  które  usztywniają
strukturę  polimeru,  znacząco  redukując  jego  zdolność  do  odkształceń.
Wraz ze stopnie sieciowania wzrasta sztywność polimerów.

Makrocząsteczki polimeru zawierające podstawniki (np. polistyren
R = C

) mogą charakteryzować się regularnym lub nieregularnym

rozmieszczeniem podstawników w łańcuchach. W przypadku braku
regularności polimer nazywamy ataktycznym, natomiast w przypadku
regularnej budowy makrocząsteczki wyróŜniamy dwa typy polimerów:

• izotaktyczny – jednakowe podstawniki znajdują się po jed-

nej stronie płaszczyzny łańcucha głównego,

OLIMERY

Strona

217

• syndiotaktyczny – jednakowe podstawniki są rozmieszczone

regularnie naprzemian po obu stronach płaszczyzny łańcu-
cha głównego (polistyren – rysunek 13.3c).

Taktyczność  polimerów  decyduje  o  strukturze  polimeru,  a  tym  samym
w istotny sposób wpływa na ich właściwości wytrzymałościowe, tempe-
raturę mięknięcia i krzepnięcia, gęstość, lepkość i wiele innych. Regular-
na  budowa  makrocząsteczki  sprzyja  krystalizacji  najłatwiej  krystalizują
polimery izotaktyczne. W wielu przypadkach polimery taktyczne zwykle
mają  lepsze  własności  z  punktu  widzenia  potencjalnych  zastosowań  niŜ
polimery ataktyczne.

Specyfika sił międzyatomowych i międzycząsteczkowych występują-
cych w polimerach powoduje, Ŝe niezwykle waŜny jest wpływ budowy
przestrzennej na własności polimeru.

Ze  względu  na  sposób  rozmieszczenia  atomów  w  przestrzeni  polimery
moŜna podzielić na całkowicie  bezpostaciowe (amorficzne) oraz krysta-
liczne.

Polimery częściowo krystaliczne

Polimery nie osiągają 100% uporządkowania struktury. Z reguły obszary
o  strukturze krystalicznej oddzielone są obszarami  amorficznymi. Krys-
tality  w  polimerach  zbudowane  są  z  pozaginanych  łańcuchów  zwanych
lamelami  lub  z  ułoŜonych  równolegle  wyprostowanych  sygnetów  ma-
krocząsteczek  zwanych  fibrylami,  co  przedstawiono  na  rysunku  13.5.
Objętościowy  stosunek  fazy  krystalicznej  do  fazy  bezpostaciowej  nosi
nazwę stopnia krystalizacji polimeru.

Rysunek 13.5. Schemat polimeru a) o strukturze amorficznej,

b) częściowo krystalicznej

OZDZIAŁ

Strona

218

Na skłonność polimerów do krystalizacji istotny wpływ ma budowa
i konfiguracja makrocząsteczek. Krystalizację utrudniają:

• duŜa masa cząsteczkowa (długie łańcuchy),

• duŜa liczba rozgałęzień,

• duŜe i asymetryczne grupy boczne.

Najłatwiej  krystalizują  polimery  liniowe,  które  nie  zawierają  Ŝadnych
podstawników  i  dlatego  wraz  z  obniŜeniem  temperatury  mogą  tworzyć
gęsto  upakowaną  strukturę  o  znacznej  regularności.  Ma  to  korzystny
wpływ  na  wytrzymałość  polimeru,  poniewaŜ  duŜa  gęstość  upakowania
łańcuchów  i  mała  objętość  swobodna  powoduje  zbliŜenie  makrocząste-
czek, co z kolei wywołuje powstanie silniejszych wiązań pomiędzy łań-
cuchami.  Skutkiem  tego  jest  zwiększenie  wytrzymałości,  sztywności
oraz temperatury mięknięcia polimeru.

Krystalizacja polimeru powoduje gwałtowne zmniejszenie jego objętoś-
ci, a tym samym równieŜ innych jego właściwości.

Temperatura topnienia (T

) polimerów zawierających pewnie udział fazy

krystalicznej jest temperaturą przemiany fazy krystalicznej w amorficzna
(faza amorficzna + faza krystaliczna

→ faza amorficzna). W odróŜnieniu

od metali temperatura T

dla polimerów częściowo krystalicznych (max

zawartość fazy krystaliczne wynosi 80%) jest nieco rozmyta i określa się
ją, jako temperaturę, w której całkowicie znika faza krystaliczna
(rysunek 13.6). W temperaturze tej polimer przechodzi w stan lepko-
płynny.

Rysunek 13.6. Zmiana objętości w funkcji temperatury a) metali,

b) polimerów częściowo krystalicznych.

OLIMERY

Strona

219

Polimery amorficzne

Większość polimerów w stanie stałym ma strukturę amorficzną. Cechuje
je brak uporządkowania budowy przestrzennej, a tym samym mała gę-
stość. Krystalizację utrudniają duŜe podstawniki, rozgałęzienia i siecio-
wanie makrocząsteczek.

Na rysunku 13.7 przedstawiono zmianę objętości polimeru amorficznego
w funkcji temperatury. Wraz ze zmniejszaniem temperatury zmniejsza
się energia ruchów cieplnych i zanika objętość swobodna. Temperaturę,
w której objętość swobodna staje się równa zero nazywamy temperaturą
zeszklenia T

(rysunek 13.7). PoniŜej tej temperatury wiązania drugorzę-

dowe wiąŜą makrocząsteczki w ciało stałe i polimer uzyskuje strukturę
szklistą (nazwa pochodzi od amorficznej struktury szkła).

Rysunek 13.7. Zmiana objętości w funkcji temperatury polimeru

amorficznego

Temperatura zeszklenia dla polimerów jest tak waŜna jak temperatura
topnienia dla metali. PowyŜej T

wiązania drugorzędowe rozrywają się,

umoŜliwiając ruch makrocząsteczek i w konsekwencji następuje znaczne
zmniejszenie sztywności polimeru.

Tabela 13.1. Przykładowe temperatury zeszklenia

Rodzaj polimeru

[

°°°°C]

Polietylen PE

– 120

Guma naturalna

– 70

Polipropylen (PP)

– 10

Polistyren (PS)

OZDZIAŁ

Strona

220

W zaleŜności od tego czy temperatura zeszklenia polimeru amorficznego
jest powyŜej, czy poniŜej temperatury pokojowej, polimery uzyskują
roŜne właściwości w temperaturach uŜytkowania.

Mechanizm odkształcania polimerów

Pod  wpływem  obciąŜenia  np.  napręŜeń  rozciągających  w  polimerach
mogą  występować  pojedynczo  lub  jednocześnie  wszystkie  rodzaje
odkształceń:  spręŜyste,  wysokoelastyczne  i  plastyczne.  Udział  poszcze-
gólnych odkształceń zaleŜny jest od temperatury, czasu i wartości naprę-
Ŝ

enia. Co za tym idzie właściwości mechaniczne polimerów równieŜ

w duŜej  mierze  zaleŜne  są  od  temperatury  i  czasu.  Jest  to  szczególnie
waŜne, poniewaŜ zmiany zachodzą w temperaturach bliski temperaturom
ich  uŜytkowania.  Polimery  pod  obciąŜeniem  odkształcają  się  coraz  bar-
dziej  wraz  ze  wzrostem  czasu  obciąŜenia  (t)  i  temperatury  (T).  Dlatego
zwykle  mówi  się  o  czasowej  i  temperaturowej  zaleŜności  modułu
Younga E (t,T).

Amorficzne polimery liniowe wg [13] wykazują następujące zakresy
temperaturowych odkształceń:

• zakres stanu spręŜystego (szklistego), charakteryzujący się

duŜą wartością modułu ok. 3 GPa

• zakres stanu (lepkospręŜystego) przemiany w temperaturze

zeszklenia, w którym moduł gwałtownie maleje od 3 GPa
do 3 MPa

• zakres stanu wysokoelastycznego, charakteryzujący się małą

wartością modułu, ok. 3 MPa,

• zakres stanu lepkopłynnego, w którym polimer zaczyna

płynąć,

• zakres powyŜej temperatury rozkładu, w której rozpoczyna

się rozkład chemiczny.

Zakresy te rozdzielone są przez temperatury przemiany stanu:
(T

– temperaturę zeszklenia, T

– temperaturę płynięcia oraz

– temperaturę rozkładu) i są charakterystyczne dla danego polimeru.

W przypadku polimerów o duŜym stopniu usieciowania struktury nie
występuje temperatura T

, a dla polimerów krystalicznych T

≈ T

OLIMERY

Strona

221

KaŜdy ze stanów wiąŜe się z określonymi właściwościami mechaniczny-
mi polimeru.

Stan spręŜysty (szklisty) (

T < T

) o wysokim module Younga

W temperaturach znacznie poniŜej T

polimery są w stanie spręŜystym.

W tym stanie nie jest moŜliwa zmiana konfiguracji merów i segmentów,
poniewaŜ energia układu jest mniejsza od sił wiąŜących makrocząstecz-
ki. W Polimerze pod wpływem działających napręŜeń zwiększają się
odległości międzyatomowe i następuje niewielkie odkształcenie spręŜys-
te. Charakter przełomu jest kruchy. Dla polimerów silnie usieciowanych
stan ten jest jedynym, w jakim one występują.

W przypadku polimerów termoplastycznych w temperaturze niŜszej od
T

moŜe występować zmiana stanu ze spręŜystego na spręŜysty z wymu-

szoną elastycznością (lepkospręŜysty). Na rysunku 13.8 przedstawiono
przebieg krzywej rozciągania na której widoczny jest zakres odkształce-
nia lepkospręŜystego. W początkowym etapie rozciągania polimer od-
kształca się spręŜyście.

Rysunek 13.8. Krzywa napręŜenie – odkształcenie dla polimeru

liniowego rozciąganego w temperaturze pokojowej (temperatura

mniejszej od temperatury zeszklenia o ok. 50°C) wg [13]

ZaleŜność  odkształcenie  od  napręŜenia  jest  zgodna  z  prawem  Hooke’a.
Następnie ulega odkształceniu plastycznemu – przy wartości napręŜenia
s1  łańcuchy  zaczynają  się  wyciągać  ze  splątań,  ulegają  wyprostowaniu
i orientacji  zgodnie  z  kierunkiem  działającego  napręŜenia.  NapręŜnie
rozciągające  wymuszają  obroty  merów  i  fragmentów  makrocząsteczek,

OZDZIAŁ

Strona

222

dzięki czemu moŜliwe jest znaczne odkształcenie próbki.  W rozciąganej
próbce  tworzy  się  szyjka,  która  po  rozprostowaniu  włókien  obejmuje
całą  próbkę.  Próbka  wykazuje  anizotropowość  właściwości  mechanicz-
nych na całej długości.  Po wydłuŜeniu zwiększa się w kierunku rozcią-
gania  (równolegle  do  włókien)  wytrzymałość  próbki,  poniewaŜ  obcią-
Ŝ

enia przenoszone są za pośrednictwem silnych wiązań kowalencyjnych

między  atomami  w  łańcuchu  głównym.  Do  dalszego  odkształcenia  po-
trzebny jest znaczny wzrost napręŜenia. Takie umocnienie przez rozcią-
ganie  jest  często  stosowane  do  wytwarzania  wysokowytrzymałych  włó-
kien polimerowych.

Zakres stanu wysokoelastycznego (spadek modułu Younga)

Jak juŜ wcześniej podano w temperaturze zeszklenia (T

) następuje roz-

pad wiązań drugorzędowych. Stwarza to moŜliwość zachodzenia zmian
we wzajemnym połoŜeniu poszczególnych segmentów łańcuchów.
W miarę wzrostu temperatury powyŜej T

polimer zwiększa swoją obję-

tość  swobodną  umoŜliwiając  obroty  i  przemieszczanie  coraz  większych
fragmentów  makrocząsteczek,  w  wyniku,  czego  następuje  znaczne
zmniejszenie  modułu  Younga.  Lecz  nadal  niemoŜliwe  jest  przesuniecie
całych makrocząsteczek względem siebie. Miejsca „zakotwiczeń” łańcu-
chów  powodują,  Ŝe  po  zdjęciu  obciąŜenia  polimer  powraca  do  stanu
wyjściowego (odkształcenia spręŜyste). W przypadku polimerów o krót-
kich  łańcuchach  wraz  ze  wzrostem  temperatury  następuje  całkowity za-
nik wiązań między łańcuchami i polimer przechodzi do stanu lepkopłyn-
nego.  Natomiast  w  przypadku  długich  łańcuchów  polimer  przechodzi
przez stan wysokoelastyczny, który jest wywołany splątaniem makroczą-
steczek (łańcuchy nie mogą się przenikać). W trakcie odkształcenia seg-
menty  między  miejscami  splątań  (węzłami)  rozprostowują  się  wywołu-
jąc znaczne odkształcenia elastyczne, odwracalne po zdjęciu obciąŜenia.
Odkształcenia  spręŜyste  zanikają,  natomiast  mogą  się  pojawić  w  pew-
nym niewielkim zakresie odkształcenia plastyczne.

Zakres stanu lepkopłynnego

W temperaturze płynięcia wiązania drugorzędowe rozpadają się całkowi-
cie  i  przemieszczają  się  nawet  miejsca  splątań.  W  stanie  lepkopłynnym
odbywają się ciągłe zmiany połoŜeń makrocząsteczek. Dzieje się tak, po-
niewaŜ  energia  ruchu  cieplnego  przewyŜsza  energię  oddziaływań  mię-
dzycząsteczkowych,  a  dzięki  objętości  swobodnej  makrocząsteczki  mo-
gą  przemieszczać  się  względem  siebie,  umoŜliwiając  lepkie  płynięcie
polimeru.

OLIMERY

Strona

223

Znajomość charakterystycznych temperatur polimerów amorficznych T

i T

daje moŜliwość optymalnego dobrania tych materiałów do zada-

nych warunków pracy oraz umoŜliwia określenie temperatur ich prze-
twarzania.

Stan,  w jakim znajduje się polimer,  a tym samym temperatura, ma bez-
pośredni  wpływ  na  charakter  krzywej  zamiany  odkształcenia  w  funkcji
napręŜania  rozciągającego.  Na  rysunku  13.9  przestawiono  krzywe  roz-
ciągania dla polimerów w temperaturze wyŜszej i niŜszej od temperatury
zeszklenia.

Rysunek 13.9. Krzywe napręŜenie – odkształcenie dla polimerów

w temperaturze powyŜej i poniŜej temperatury zeszklenia

Charakterystyka elastomerów i plastomerów

Termoplasty  to  tworzywa  zbudowane  z  liniowych  makrocząsteczek
(rzadziej  rozgałęzionych). Łańcuchy nie są sieciowane. Temperatura ze-
szklenia  plastomerów  jest  wyŜsza  od  temperatury  pokojowej,  a  zatem
zakres  temperatury  ich  uŜytkowania  znajduje  się  w  obszarze  stanu
szklistego.  Tworzywa  termoplastyczne  są  twarde  i  kruche  tylko  w tem-
peraturach  uŜytkowania  natomiast  w  podwyŜszonych  temperaturach
miękną i płyną zmieniając kształt. Zjawisko to jest odwracalne. Podczas
ogrzewania  rozpadają  się  drugorzędowe  wiązania  między  łańcuchami
i dlatego polimer uzyskuje własności lepkiego płynu, co umoŜliwia jego
formowanie.  Proces  formownia  przeprowadza  się  w  podwyŜszonych
temperaturach  przez  tłoczenie  lub  wtryskiwanie,  a  następnie  szybkie
chłodzenie.  Po  zmniejszeniu  temperatur  polimer  powraca  do  stanu
szklistego. W przeciwieństwie do duroplastów, termoplasty moŜna prze-

OZDZIAŁ

Strona

224

twarzać  wielokrotnie  jednak  zazwyczaj  po  kaŜdym  przetworzeniu,  na
skutek zjawiska degradacji, pogarszają się ich własności uŜytkowe i me-
chaniczne.  W  temperaturze pokojowej wykazują nieznaczne odkształce-
nie  pod  niewielkim  obciąŜeniem,  a  pod  wpływem  wzrastającego  naprę-
Ŝ

enia zaczynają odkształcać się plastycznie, aŜ do mechanicznego znisz-

czenia. Do najczęściej stosowanych tworzyw termoplastycznych zalicza-
my:

• polietylen (PE),

• polipropylen (PP),

• polistyren (PS) oraz wersja wysokoudarowa (HIPS),

• polichlorek winylu (PVC),

• poli(tlenek metylenu) (PMO),

• poli(tereftalan etylenu) (PET),

• polimetakrylan metylu (PMMA).

W zaleŜności od rodzaju struktury, a co za tym idzie i właściwości tech-
nologicznych moŜna je podzielić na: termoplasty amorficzne i krysta-
liczne. Uporządkowanie struktur polimerów ma korzystny wpływ na wy-
trzymałość polimeru, zwiększa jego wytrzymałość, sztywność i tempera-
turę mięknięcia (odporność cieplną).

Zatem  celowo  stosuje  się  operacje  technologiczne  zwiększające  stopień
krystalizacji  polimeru.  Na  przykład  modyfikacja  procesu  otrzymywania
polietylenu daje moŜliwość uzyskania materiału o duŜej gęstości zawie-
rającego  nawet  90%  fazy  krystalicznej.  Taki  polimer  nosi  nazwę
polietylenu o duŜej gęstości (HDPE – high density polyethylene), w od-
róŜnieniu  od  mniej  wytrzymałego  i  sztywnego  polietylenu  o  małej  gę-
stości (LDPE –  low density polyethylene).

Duroplasty są tworzywami polimerowymi, których struktura w podwyŜ-
szonej  temperaturze  (polimery  termoutwardzalne)  lub  pod  wpływem
czynników  chemicznych  (polimery  chemoutwardzalne)  ulega  sieciowa-
niu.  Są  ona  zazwyczaj  gęsto  sieciowane,  a  mocne  kowalencyjne  wiąza-
nia poprzeczne usztywniają strukturę polimeru. Jest to proces nieodwra-
calny, dlatego teŜ nie ma moŜliwości powtórnego ich formowania. Duro-
plasty  charakteryzują  się  wysoką  sztywnością  oraz  stabilnością  wymia-
rową  oraz  kruchością,  którą  zmienia  się  poprzez  stosowanie  odpowied-
nich  napełniaczy.  Typowymi  duroplastami  są  poliepoksydy  i  poliestry

OLIMERY

Strona

225

powszechnie stosowane, jako osnowa do produkcji kompozytów wzmac-
nianych włóknami. Ponadto stosuje się je do produkcji tworzyw pianko-
wych klejów, lakierów itp.

Elastomery  –  są  grupą  polimerów  prawie  liniowych  o  małej  gęstości
sieciowania.  Temperatura  zeszklenia  elastomerów  znajduje  się  poniŜej
temperatury  pokojowej,  a  tym  samym  zakres  temperatur  ich  uŜytkowa-
nia znajduje się w obszarze stanu wysokoelastycznego. Dlatego teŜ cha-
rakteryzują  się  one zdolnością do  duŜych odwracalnych odkształceń za-
chodzących  pod  wpływem  działającego  napręŜenia  rozciągającego,
ś

ciskającego lub ścinającego. Niektóre polimery uzyskują przy rozciąga-

niu  odkształcenie  równe  1000%  bez  zerwania  próbki.  Węzły  sieci  che-
micznej  uzyskane  w  wyniku  sieciowania  stanowią  punkt  kotwiczenia
deformujących  się  giętkich  łańcuchów  i  z  jednej  strony  ograniczają  od-
kształcenia plastyczne, a z drugie powodują, Ŝe odkształcenia są odwra-
calne.

Do  grupy  tworzyw elastomerowych  zaliczamy  gumę  (kauczuk  wulkani-
zowany)  i  liniowe  elastomery  termoplastyczne.  Materiał  polimerowy
wykazujący  cechy  elastomeru  termoplastycznego  składa  się  z  co  naj-
mniej dwóch faz (miękkiej i twardej) róŜniących się znacznie temperatu-
rami zeszklenia i topnienia. Fazę miękką tworzą łańcuchy polimeru (seg-
mentu) o duŜej ruchliwości molekularnej, natomiast faza twarda (o duŜej
sztywności pełni funkcję węzłów sieci.

Degradacja  polimerów  jest  wynikiem  pękania  łańcuchów  polimerów
i tworzenia się mniejszych  cząsteczek. Degradacja polimerów  moŜe być
spowodowana przez promieniowanie świetlne lub jonizujące, względnie
działanie  tlenu  albo  innego  czynnika  chemicznego.  Zmienia  własności
fizykochemiczne polimerów: zmniejsza cięŜar cząsteczkowy, wytrzyma-
łości  i  lepkości.  W  wyniku  degradacji  następuje  równieŜ  zmatowienie,
spękanie i zmiana koloru powierzchni.

OZDZIAŁ

Strona

228

Kompozyt  jest  materiałem  utworzonym,  z  co  najmniej  dwóch  kompo-
nentów o róŜnych właściwościach mającym lepsze lub inne właściwości
niŜ kaŜdy ze składników oddzielnie lub ich mieszanina. Jest materiałem
niejednorodnym  z  widocznymi  granicami  między  komponentami.  Nie-
jednokrotnie właściwości kompozytu są korzystniejsze niŜ suma właści-
wości  jego  poszczególnych  komponentów.  Występowanie  efektu  syner-
gii  spowodowało  szybki  rozwój  kompozytów,  jako  nowoczesnych  ma-
teriałów konstrukcyjnych.

Klasyfikacja kompozytów

W zaleŜności od pochodzenia kompozyty moŜna podzielić na:

• kompozyty naturalne utworzone przez przyrodę na drodze

ewolucji, wszędzie tam gdzie niezbędne było przenoszenie
duŜych obciąŜeń (drewno, kości itp.),

• kompozyty wytworzone przez człowieka.

Podstawą klasyfikacji kompozytów jest rodzaj materiałów uŜytych do
ich wytworzenia. Współczesna technika wykorzystuje kompozyty zawie-
rające komponenty metalowe, ceramiczne i polimerowe.

Rys 14.1. Klasyfikacja kompozytów ze względu na rodzaj materiału

zastosowanych komponentów

Otrzymywane są równieŜ kompozyty metal – metal, polimer –polimer
oraz ceramika – ceramika, przy czym kompozyty ceramika – polimer
dominują na rynku materiałów kompozytowych.

OZDZIAŁ

Strona

230

Opracowanie  nowej  grupy  materiałów,  jakimi  są  kompozyty  spowodo-
wane było poszukiwaniem materiałów konstrukcyjnych o coraz większej
wytrzymałości  i  sztywności  z  jednoczesną  moŜliwością  uzyskania  jak
najmniejszej gęstości.

Kompozyty wzmacniane włóknami

Najbardziej rozpowszechnionymi i najczęściej stosowanymi kompozyta-
mi  konstrukcyjnymi  są  kompozyty  wzmacniane  włóknami,  o  osnowie
polimerowej,  a  w  szczególności  laminaty.  Laminat  składa  się  z  kolejno
ułoŜonych warstw zbrojenia oraz osnowy, która spaja zbrojenie i umoŜli-
wia  przeniesienie  obciąŜenia  na  włókna.  Kompozyty  mogą  się  róŜnić
materiałem, z którego wykonane są poszczególne komponenty.

Właściwości  kompozytów  konstrukcyjnych  moŜna  kształtować  przez
dobór  materiału  na  wzmocnienia  i  osnowę,  co  przedstawiono  na  rysun-
ku 14.3.

Rysunek 14.3. Schemat projektowania uwzględniający dobór materiałów

na składniki kompozytu

Poza doborem materiałów o Ŝądanych właściwościach istotnym, elemen-
tem  jest  równieŜ  zaprojektowanie  kształtu  oraz  rozkładu  elementów
wzmacniających  tak,  aby  uzyskać  maksymalne  wykorzystanie  cech  po-
szczególnych komponentów.

OMPOZYTY

Strona

231

Osnowa kompozytu pełni następujące funkcje:

• łączy zbrojenie i nadaje wyrobom Ŝądany kształt,

• przenosi napręŜenie zewnętrzne na zbrojenie,

• zabezpiecza zbrojenie przed uszkodzeniami mechanicznymi,

• zapewnia wytrzymałość na ściskanie,

• zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć.

Zbrojenie natomiast zapewnienia kompozytowi wysokie właściwości
wytrzymałościowe i wzmocnienie osnowy w selektywnych kierunkach.

Podstawową zaletą kompozytów jest moŜliwość zaprojektowania i odpo-
wiedniego dobrania ich wytrzymałości i sztywności, które zaleŜne są od:

• wytrzymałości (R

), sztywności wzmocnień – najczęściej

włókna (E),

• sztywności osnowy (E),

• wytrzymałości połączenia adhezyjnego osnowy ze zbroje-

niem,

• udziału objętościowego osnowy i zbrojenia,

• geometrii, rozkładu i orientacji wzmocnienia,

• liczby i wielkości defektów w strukturze kompozytu.

Kompozyty konstrukcyjne o osnowie polimerowej wzmacniane włókna-
mi charakteryzują się:

• wysoką wytrzymałością i sztywnością,

• niskim cięŜarem właściwym,

• wysoką wytrzymałością i sztywnością względną,

• odpornością na korozję,

• stosunkowo prostą technologią wytwarzania.

OZDZIAŁ

Strona

232

Natomiast do wad tych kompozytów moŜna zaliczyć:

• utratę spójności osnowy z włóknem (rozwarstwienie kompo-

zytu),

• wyboczenie włókien powodujące zmniejszenie wytrzyma-

łości na ściskanie,

• technologię wytwarzania, która sprzyja powstawaniu wad

inicjujących pęknięcia.

Właściwości kompozytów wzmacnianych
włóknami

Moduł spręŜystości (

W kompozycie o jednokierunkowym rozkładzie włókien, przy załoŜeniu
doskonałej spójności na granicy włókno – osnowa, moŜna rozpatrywać
dwa skrajne przypadki obciąŜenia:

• napręŜenia rozciągające są równolegle do osi włókien,

• napręŜenia rozciągające są prostopadle do osi włókien.

Rysunek 14.4. Kompozyt o jednokierunkowym rozkładzie włókien

obciąŜony: a) równolegle do osi włókien, b) prostopadle do osi włókien

OZDZIAŁ

Strona

234

Przebieg krzywej rozciągania jest następujący:

• Początkowo (punkty 1÷2 na rysunku 14.6) przebieg jest li-

niowy, przy czym nachylenie prostoliniowego odcinka wy-
kresu jest proporcjonalny do modułu spręŜystości kompo-
zytu,

• Przy napręŜeniu R

rozpoczyna się płynięcie osnowy i na

wykresie widoczne jest niewielkie odchylenie linii prostej.
Przyrost napręŜenia przenoszony jest przez włókna, które
ulegają odkształceniu spręŜystemu (2÷3 na rysunku 14.6).

• Przy napręŜeniu R

rozpoczyna się pękanie włókien i na wy-

kresie widoczny jest spadek napręŜenia do wartości granicy
plastyczności osnowy (3

÷4) następnie przyrost napręŜenia

przenoszony jest przez osnowę (odkształcenie plastyczne
osnowy 4

÷5). Spadek napręŜenia nie jest gwałtowny, ponie-

waŜ nigdy nie zdarza się, aby nastąpiło jednoczesne pęknię-
cie wszystkich włókien.

• Zniszczenie kompozytu następuje wówczas, gdy pęka

osnowa (5).

Zgodnie  z  regułą  mieszanin,  wytrzymałość  na  rozciąganie  kompozytu
(napręŜenie,  przy  którym  zaczynają  pękać  włókna)  zaleŜy  od  granicy
plastyczności  osnowy  (R

e/O

) i wytrzymałości na rozciąganie włókien

m/W

kom

gdzie:

– udział objętościowy włókien,

– udział objętościowy osnowy, V

= (1-V

m/kom

– wytrzymałość na rozciąganie kompozytu,

m/W

– wytrzymałość na rozciąganie włókna,

e/O

– granica plastyczności osnowy,

m/O

– wytrzymałość na rozciąganie osnowy,

– udział objętościowy włókien, powyŜej którego następuje

wzmocnienie osnowy przez włókna.

OMPOZYTY

Strona

235

Sumą  obu  prostych  jest  linia  łamana,  wykazująca  minimum  wytrzyma-
łości na rozciąganie kompozytu. Wynika z tego, Ŝe istnieje pewna mini-
malna  objętość  włókien,  którą  naleŜy  wprowadzić,  aby  kompozyt  uzys-
kał wytrzymałość większą od osnowy.

Rysunek 14.7. Zmiana wytrzymałości na rozciąganie kompozyty w

funkcji udziału objętościowego włókien wg [13]

W przypadku włókien ciętych (krótkich) istotnym parametrem wpływa-
jącym na wytrzymałość na rozciąganie (R

) kompozytu jest długość

włókien rozmieszczonych w osnowie. ObciąŜenie w kompozytach włók-
nistych  przekazywane  jest  przez  osnowę  na  włókna  przez  powierzchnię
styku obu faz. Wielkość przekazanego obciąŜenia zaleŜna jest od średni-
cy  włókna  oraz  wytrzymałości  połączenia  osnowy  i  zbrojenia,  za  którą
uwaŜa  się  wytrzymałość  osnowy  na  ścinanie.  Mechanizm  przekazania
obciąŜenia  z  osnowy  na  włókno,  przy  rozciąganiu  kompozytu  wzdłuŜ
włókien przedstawiono na rysunku 14.8.

Rysunek 14.8. Mechanizm przeniesienia obciąŜenia z osnowy na włókno

wg [13]

OZDZIAŁ

Strona

236

Siła F

działająca na włókno w odległości x od jego końca wynosi

∫

Natomiast wartość siły krytycznej powodującej zerwanie włókna moŜna
wyznaczyć z zaleŜności

Porównując obie wartości sił moŜna wyznaczyć odległość, przy której
nastąpi zerwanie włókna

a następnie długość krytyczną włókna (zaleŜną od średnicy i wytrzyma-
łości na rozciąganie włókna oraz od siły wiązania włókna z osnową),
poniŜej której włókno nieefektywnie wzmacnia kompozyt

gdzie:

m/w

– wytrzymałość na rozciąganie włókna,

– średnica włókna,

– wytrzymałość osnowy na ścinanie.

Rozkład siły osiowej przekazywanej na włókno przez osnowę przedsta-
wiono na rysunku 14.9.

OMPOZYTY

Strona

237

Rysunek 14.9. Rozkład siły osiowej przekazywanej na włókno przez

osnowę: a) L

< L

, b) L

= L

, c) L

> L

Efektywne umacnianie kompozytu przez włókna występuje, gdy długość
włókna jest większa od długości krytycznej. W praktyce w kompozytach
o jednokierunkowym rozkładzie włókien stosowane są włókna ciągłe
o długości znacznie większej od długości krytycznej (L > 15 L

Włókna stosowane do wzmacniania kompozytów powinny mieć jak
najmniejsza średnicę. Wynika to z faktu, Ŝe im mniejsza średnica włókna
tym mniejsza jest ich powierzchnia i objętość, a tym samym mniejsze

OZDZIAŁ

Strona

238

prawdopodobieństwo  wystąpienia  wad  struktury,  które  sprzyjają  pęka-
niu.  Wartość  graniczną  średnicy,  poniŜej  której  następuje  znaczący
wzrost  właściwości  wytrzymałościowych  kompozytu  polimerowego
wzmacnianego włóknami wynosi 15 µm (d < 15 µm).

Dodatkowo mała średnica włókna poprawia stosunek jego powierzchni
do objętości zwiększając powierzchnię wiązania osnowy ze wzmocnie-
niem, w wyniku czego uzyskuje się wzrost wytrzymałości połączenia ad-
hezyjnego między włóknem i osnową.

Wartość  wytrzymałości  adhezyjnej między włóknem i osnową w zasad-
niczy  sposób  wpływa  na  właściwości  kompozytów.  Mała  wartość  sił
adhezyjnych  powoduje,  Ŝe  lokalne  napręŜania  w  kompozycie  uzyskują
wartości  maksymalne  na  granicy  podziału  osnowy  i  wzmocnienia,  co
prowadzi  do  zapoczątkowania  pęknięcia  (zniszczenia)  kompozytu.  Aby
zwiększyć wytrzymałość  połączenia włókna z osnową stosuje się okreś-
lone  apretury  na  powierzchni  włókien.  Środki  te  poprawiają  wytrzyma-
łość  adhezyjną  przez  tworzenie  wiązań  chemicznych  między  włóknem
i osnową oraz polepszają zwilŜalność włókna, dzięki czemu uzyskuje się
lepsze przesycenie włókien.

Wytrzymałość  teoretyczna  kompozytów  polimerowych  wzmacnianych
włóknami  jest  o  wiele  wyŜsza  od  wytrzymałości  rzeczywistej.  RóŜnica
ta, podobnie jak w przypadku tworzywach ceramicznych, spowodowana
jest  obecnością  defektów  w  strukturze  kompozytów  uwarunkowanych
procesem technologicznym ich wytwarzania. Pory powietrza i mikropęk-
nięcia tworzą w strukturze materiału nieciągłości, które powodują lokal-
ną  koncentrację  napręŜeń.  NapręŜenia  lokalne  w  wierzchołku  mogą
osiągnąć  wartość  równą  teoretycznej  wytrzymałości  wiązania  przy  nie-
zbyt duŜych napręŜeniach zewnętrznych. Z reguły początkiem zniszcze-
nia kompozytu jest największy defekt, od którego rozpoczyna się propa-
gacja pęknięcia, a w konsekwencji rozerwanie próbki przy napręŜeniach
zewnętrznych mniejszych od sił spójności występujących w danym kom-
pozycie.

Składniki strukturalne kompozytów
polimerowych wzmacnianych włóknami

Podstawowymi składnikami strukturalnymi kompozytów polimerowych
są osnowa i włókna wzmacniające.

OMPOZYTY

Strona

239

Osnowa polimerowa

Na osnowę kompozytów polimerowych najczęściej stosowane są:

• Ŝywice termoutwardzalne: fenoplasty i aminoplasty;

• Ŝywice chemoutwardzalne: poliestrowe, epoksydowe i sili-

konowe;

• tworzywa termoplastyczne: poliamidy, polipropylen, polies-

try termoplastyczne i poliwęglan.

Włókna wzmacniające

Najczęściej składnikiem kompozytów polimerowych są włókna szklane,
węglowe lub aramidowe, stosowne w postaci rowingu, tkaniny lub maty.

Jak juŜ wspomniano rodzaj wzmocnienia wpływa na wytrzymałość
i sztywność kompozytu natomiast postać wzmocnienia (np. sposób uło-
Ŝ

enia włókien) wpływa na stopień anizotropowości właściwości wytrzy-

małościowych kompozytu.

Rysunek 14.10. Przykładowe rodzaje wzmocnień z włókien

Włókna szklane

Właściwości mechaniczne włókna szklanego zaleŜą w duŜej mierze od
jego składu chemicznego. Produkowane są z dwóch podstawowych ro-
dzajów szkła:

• szkło typu E: (borokrzemian)

OZDZIAŁ

Strona

240

• szkło typu S: (krzemian magnezowo – aluminiowy) charak-

teryzujące się wyŜszą wytrzymałością i mniejszym cięŜarem
właściwym, lecz wyŜszą ceną w stosunku do szkła typu E.

Włókna  szklane  charakteryzują  się  małym  wydłuŜeniem  i  wysokimi
wartościami modułu spręŜystości oraz bardzo dobrą zwilŜalnością przez
polimery, a co za tym idzie, moŜliwością tworzenia stosunkowo mocne-
go  połączenia  na  granicach  międzyfazowych  polimer  –  szkło.  Orienta-
cyjne właściwości włókien podano w tabeli 14.1. Ze względu na stosun-
kowo  prostą  technologię  wytwarzania  są  najtańszym  zbrojeniem  stoso-
wanym  w  kompozytach  o  osnowie  polimerowej.  Stosowane  są  szeroko
w  przemyśle  samochodowym,  lotnictwie,  elektronice,  szkutnictwie,  bu-
downictwie przemysłowym itp.

Włókna węglowe

Są to włókna, w których co najmniej 80% stanowi węgiel. Stosowane są
dwa rodzaje włókien węglowych:

• włókna węglowe, w których węgiel stanowi 80¸90% wago-

wo,

• włókna grafitowe: w których węgiel stanowi 99% wagi są

włóknami o najwyŜszej wytrzymałości właściwej.

Włókna  węglowe  charakteryzują  się  wysokimi  właściwościami  wytrzy-
małościowymi,  wysokim  modułem  spręŜystości  oraz  niską  gęstością,
dobrze  przewodzą  elektryczność  i  mają  wysoką  odporność  na  działanie
kwasów i zasad. W zaleŜności od cech włókna węglowego wyróŜnia się
włókna o wysokiej wytrzymałości (HS – High Strength) oraz o wysokim
module  spręŜystości  wzdłuŜnej  (HM  –  High  Modulus).  Ze  względu  na
trudny i czasochłonny procesy produkcji cena tego zbrojenia jest znacz-
nie wyŜsza od włókna szklanego. Wytwarza się z nich elementy pracują-
ce pod duŜymi obciąŜeniami w konstrukcjach lotniczych i kosmicznych,
w przemyśle motoryzacyjnym, w sprzęcie sportowym, w budowie siłow-
ni wiatrowych oraz zbiorników ciśnieniowych itp.

Włókna aramidowe

Włókna aramidowe wytwarzane są z poliamidów włóknotwórczych za-
wierających pierścienie aromatyczne.

Do najbardziej znanych aramidów zalicza się:

OMPOZYTY

Strona

241

• Kevlar (fenyleno-1,4-diamid) – o wysokim module spręŜy-

stości wzdłuŜnej,

• Twaton (fenyleno-1,4-diamid) – o średnim module spręŜy-

stości wzdłuŜnej,

• Technora (Armidy) – kopolimer o niskim module spręŜy-

stości wzdłuŜnej.

Aramid  charakteryzuje  się  wysoką  wytrzymałością  i  niską  gęstością,
zdolnością  absorbowania  energii,  dobrymi  własnościami  dielektryczny-
mi  i  antymagnetycznymi.  Z  włókien  aramidowych  produkuje  się  kami-
zelki kuloodporne, hełmy oraz warstwy zabezpieczające w ubraniach dla
straŜaków, lotników, kierowców rajdowych i astronautów oraz do części
odpornych na ścieranie i wyrobów odpornych na przecięcie ostrymi kra-
wędziami.  Stosowane  są  równieŜ  w  mocno  obciąŜonych  elementach
pracujących w konstrukcjach lotniczych i kosmicznych oraz do budowy
struktur laminatowych w budownictwie, jak i do produkcji sprzętu spor-
towego (narty, łodzie wyczynowe, sprzęt golfowy itp).

Tabela 14.1. Orientacyjne właściwości włókien stosowanych
w kompozytach o osnowie polimerowej wg [11]

Włókno / nazwa

handlowa

Nazwa

[Mg/m

]

[GPa]

[MPa]

φφ

[µ

µm]

max

pracy

[

°°°°C]

Szkło E

2,54

÷ 79

3100

3800

÷20

500

Szklane

Szkło S

2,48

÷ 91

4400

÷10

750

Panter

o średnim

module E

1,74

228

3600

500

Torayca

o wysokim

1,82

294

7100

500

Thornel

o wysokim

module E

2,18

966

3100

500

Technora

o niskim

module E

1,39

3000

160

Twaton

o średnim

module E

1,45

121

3100

160

Kevlar

o wysokim

module E

1,47

179

3500

160

Oprócz  podanych  komponentów  w  skład  kompozytów  polimerowych
mogą  wchodzić  wypełniacze  proszkowe  (niejednokrotnie  stosowane
w celu  obniŜenia  kosztów  produkcji)  oraz  róŜne  substancje  pomocnicze

OZDZIAŁ

Strona

242

(utwardzacze, środki antyadhezyjne, zagęszczacze, środki smarujące,
barwniki, dodatki zmniejszające zuŜycie ścierne lub przeciwskurczowe).

Kompozyty  włókniste  o  osnowie  polimerowej  znajdują  zastosowanie
w bardzo  szerokim  zakresie  w  szczególności  w  przemyśle  lotniczym,
motoryzacyjnym  oraz  przy  budowie  jachtów  i  łodzi,  zbiorników  ciśnie-
niowych,  urządzeń  wiatrowych,  sprzętu  sportowego,  sprzętu  medyczne-
go, elementów budowlanych itp.

Wzmocnienia w  postaci włókien  stosowane są  równieŜ w bardzo szero-
kim zakresie w kompozytach o osnowie metalowej i ceramicznej. Znaj-
dują  one  zastosowanie  od  standardowych  konstrukcji  betonowych
ze zbrojeniem  z  prętów  metalowych  do  zaawansowanych  kompozytów
o osnowie  ze  stopu  tytanu  lub  aluminium  wzmacnianych  włóknami
węglowymi,  boru  lub  SiC.  Zastosowanie  materiałów  kompozytowych
o osnowie  metalowej  daje  moŜliwość  zwiększenia  wytrzymałości
i sztywności  materiału  przy  jednoczesnym  zmniejszeniu  jego  masy,  co
jest  szczególnie  istotne  w  zastosowaniach  w  konstrukcjach  lotniczych
oraz  przemyśle  motoryzacyjnym.  Obecnie  największe  zastosowanie
mają kompozyty o osnowie stopów metali lekkich takich jak Al, Mg i Ti.
Wytwarza  się  z  nich  łopatki  i  tarcze  turbin,  korbowody  silników  spali-
nowych, elementy usterzenia skrzydła oraz inne elementy konstrukcyjne.

Kompozyty wzmacniane cząstkami

W grupie kompozytów wzmacnianych cząstkami wyróŜniamy: kompo-
zyty wzmacniane duŜymi cząstkami innej fazy, oraz umacniane dysper-
syjnie.

Do kompozytów umacnianych dyspersyjne zaliczany materiały:

• które zawierają dyspersyjne cząstki (najczęściej węglików,

tlenków, azotków w osnowie metalowej),

• których udział objętościowym cząstek nie przekracza 15%,

• których cząstki dyspersyjne charakteryzują się wymiarami

od 0,01

÷0,1µm.

W materiałach tych napręŜania przenoszone są przez osnowę. Umocnie-
nie polega na utrudnianiu ruchu dyslokacji przez rozproszone w meta-
lowej osnowie dyspersyjne cząstki. Efektywność umocnienia zaleŜy od
wielkości, kształtu, udziału objętościowego cząstek oraz od wzajemnego

OMPOZYTY

Strona

243

oddziaływania dyslokacji z wydzieleniami. Cząstki w temperaturze pra-
cy nie powinny rozpuszczać się w osnowie.

Najbardziej znane są odlewane lub spiekane elementy z kompozytów o
osnowie wykonanej ze stopów Al wzmacniane cząstkami SiC lub Al

Stosowane są między innymi na tarcze hamulcowe, tłoki silników, bloki
silnikowe oraz ramy rowerów.

JeŜeli rozmiary cząstek umacniających są większe od 1,0

m to materiał

zaliczany jest do kompozytów umacnianych duŜymi cząstkami. W kom-
pozytach tych w odróŜnieniu do kompozytów umacnianych dyspersyjnie
obciąŜenie przenoszone jest przez osnowę i cząstki.

Umocnienie cząstkami kompozytów wynika z:

• oddziaływania spręŜystego cząstek z osnową,

• ograniczenia ruchu dyslokacji,

• utworzenia ciągłej siatki wzmocnienia w plastycznej osno-

wie.

Umocnienie  przez  przejmowanie  obciąŜenia  z  osnowy  oraz  hamowanie
odkształcenia  osnowy  zaleŜne  jest  od  udziału  objętościowego  cząstek
oraz  jakości  ich  połączenia  z  osnową.  Przy  słabych  oddziaływaniach
adhezyjnych osnowy i zbrojenia wytrzymałość na rozciąganie kompozy-
tu  moŜe  być  mniejsza  niŜ  osnowy.  Wpływ  udziału  objętościowego
cząstek na sztywność kompozytu przedstawiono na rysunku 14.11.

Rysunek 14.11. Moduł Younga kompozytu w zaleŜności od udziału

objętościowego wzmocnienia wg [2]

OZDZIAŁ

Strona

244

Aby osiągnąć optymalne właściwości kompozytu:

• cząstki powinny mieć jednakowe rozmiary;

• powinny być równomiernie rozłoŜone;

• procent objętości zbrojenia dostosowany jest od konkretnych

potrzeb wytrzymałościowych, cenowych itp.

Do tej klasy materiałów zaliczane są między innymi cermetale, beton,
cement itp.

Cermetale są to materiały, w których cząstki ceramiczne azotki i węgliki
(TiC, TiN, WC i VC) rozmieszczone są w osnowie Co, Ni lub Mo.
Cząstki zbrojenia mają rozmiary powyŜej 1

µm, a ich udział objętościo-

wy w materiale moŜe osiągać wartość 90%.

Wytwarzane  są  podobnie  jak  ceramika  metodą  metalurgii  proszków.
W celu  nadania  kształtu  wyrobu  najczęściej  stosuje  się  jednostronne
prasowanie  i  spiekanie  w  piecu  próŜniowym  w  temperaturach  od
1400÷1550 °C.

Cermetale charakteryzują się:

• duŜą twardością i odpornością na ścieranie,

• duŜą wytrzymałością na zginanie,

• odpornością na utlenianie (równieŜ w podwyŜszonych tem-

peraturach),

• niskim współczynnikiem tarcia,

• relatywnie niską ceną.

Stosowane są na narzędzia skrawające. Ostrza z cermetali zapewniają
gładką powierzchnię obrabianego materiału i często wykorzystywane są
do obróbki wykańczającej stopów Ŝelaza.

Wzmocnienie  kompozytów  cząstkami  jest  znacznie  mniejsze  niŜ  włók-
nami. JednakŜe łatwość ich wytwarzania powoduje, iŜ stosowane są one
w bardzo szerokim zakresie. Cząstki nie zawsze wprowadzane są w celu
wzmocnienia  kompozytu,  lecz  równieŜ  w  celu  uzyskania  innych  nie-
zbędnych cech.

OMPOZYTY

Strona

245

W  przypadku  kompozytów  o  spręŜystej  osnowie  (ceramicznej  lub  poli-
merowej)  niejednokrotnie  wprowadzane  są do niej odpowiednio cząstki
plastyczne lub wysokoplastyczne, które powstrzymują pękanie materiału
i powodują wzrost odporności na kruche pękanie.

Innym przykładem moŜe być wprowadzanie grafitu do gumy stosowanej
na opony samochodowe, spełniającego funkcje smarujące, w wyniku,
czego uzyskujemy zwiększenie odporności na zuŜycie ścierne.

W przypadku polimerów z wypełniaczami proszkowymi (kreda, piasek,
zmielone laminaty) uzyskujemy zwiększenie odporności na ścieranie
oraz obniŜenie ceny materiału.

OZDZIAŁ

Strona

248

Literatura

1. Ciszewski A., Radomski T., Szumer A., Materiałoznawstwo,

OWPW, Warszawa, 1998.

2. Ashby M. F., Jones D. R. H., Materiały InŜynierskie 1. Właści-

wości i zastosowania, WNT, Warszawa, 1995.

3. Kocańda S., Szala J., Podstawy obliczeń zmęczeniowych, PWN,

Warszawa, 1997.

4. Wieleba W., Analiza procesów tribologicznych zachodzących

podczas współpracy kompozytów PTFE ze stalą, Wydawnictwo
Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2002.

5. Branagan D. J., Enabling Factors Toward Production of Nano-

structured Steel on an Industrial Scale, Journal of Materials
Engineering and Performance, Vol. 14(1) February 2005, ASM
International.

6. Rudnik S., Metaloznawstwo, PWN, Warszawa, 1983.

7. Kaczorowski M, Krzyńska A., Konstrukcyjne materiały metalo-

we, ceramiczne i kompozytowe, OWPW, Warszawa, 2008.

8. Prowans S., Materiałoznawstwo, PWN, Warszawa – Poznań,

1977.

9. Dobrzański L., Metaloznawstwo opisowe stopów Ŝelaza, Wy-

dawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2007.

10. Pampuch R., Budowa i właściwości materiałów ceramicznych,

Wydawnictwo AGH, Kraków, 1995.

11. Dobrzański L., Materiały inŜynierskie i projektowanie materia-

łowe, WNT, Warszawa, 2006.

12. Górny Z., Odlewnicze stopy metali nieŜelaznych, WNT, Warsza-

wa 1992.

13. Ashby M. F., Jones D. R. H., Materiały InŜynierskie 2. Kształto-

wanie struktury i właściwości, dobór materiałów, WNT, War-
szawa, 1996.

ITERATURA

Strona

249

14. Burakowski T., Wierzchoń T., InŜynieria powierzchni metali,

WNT 1995.

Skorowidz norm

PN-EN 573-1:2006 Aluminium i stopy aluminium. Skład chemiczny
i rodzaje wyrobów przerabianych plastycznie. Część 1: System oznaczeń
numerycznych.

PN-EN  573-2:1997  Aluminium  i  stopy  aluminium.  Skład  chemiczny
i rodzaje  wyrobów  przerabianych plastycznie. System oznaczeń na pod-
stawie symboli chemicznych.

PN-EN 573-3:2007 Aluminium i stopy aluminium. Skład chemiczny
i rodzaje wyrobów przerabianych plastycznie. Część 3: Skład chemiczny
i rodzaje wyrobów.

PN-EN 1706:2001 Aluminium i stopy aluminium. Odlewy. Skład che-
miczny i własności mechaniczne.

PN-EN 1780-1:2004 Aluminium i stopy aluminium. Oznaczenie gąsek
do przetopienia z aluminium niestopowego i stopowego stopów wstęp-
nych i odlewów. Część 1: System oznaczeń numerycznych.

PN-EN  1780-2:2004  Aluminium  i  stopy  aluminium.  Oznaczenie  gąsek
do  przetopienia  z  aluminium  niestopowego  i  stopowego  stopów  wstęp-
nych  i  odlewów.  Część  1:  System  oznaczeń  na  podstawie  symboli  che-
micznych.

PN-EN ISO 4957:2004 Stale narzędziowe.

PN-EN 10002-1:2004 Metale. Próba rozciągania. Cześć 1: Metoda
badania w temperaturze otoczenia.

PN-EN 10020: 2003 Definicja i klasyfikacja gatunków stali.

PN-EN 10027-1:2007 Systemy oznaczania stali. Część 1: Znaki stali.

PN-EN 10027-2:1994 Systemy oznaczania stali. System cyfrowy.

PN-EN 10025-1:2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstruk-
cyjnych. Część 1: Ogólne warunki techniczne dostawy.

PN-EN 10025-3:2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstruk-
cyjnych. Część 3: Warunki techniczne dostawy spawalnych stali kon-

OZDZIAŁ

Strona

250

strukcyjnych drobnoziarnistych po normalizowaniu lub walcowaniu
normalizującym.

PN-EN 10025-6:2007 Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstruk-
cyjnych. Część 6: Warunki techniczne dostawy wyrobów płaskich
o podwyŜszonej granicy plastyczności.

PN-EN 10045-1:1994 Metale. Próba udarności sposobem Charpy’ego.
Metoda badania.

PN-EN 10083-1:2006 Stale do ulepszania cieplnego. Część 1: Ogólne
warunki techniczne dostaw.

PN-EN 10084:2002 Stale do nawęglania. Warunki techniczne dostawy.

PN-EN 10087:2000 Stal automatowa. Warunki techniczne dostawy pół-
wyrobów, prętów i walcówki walcowanych na gorąco.

PN-EN 10088-1:2007 Stale odporne na korozję. Część 1: gatunki stali
odpornych na korozję.

PN-EN 10132-4:2004 Taśma stalowa wąska walcowana na zimno do
obróbki cieplnej. Warunki techniczne dostawy. Część 4: Stale spręŜyno-
we i do innych zastosowań.

PN-EN 10270-1:2004 Drut stalowy na spręŜyny mechaniczne. Część 1:
Drut spręŜynowy ze stali niestopowej patentowany ciągniony na zimno.

PN-EN 10296-1:2006 Rury stalowe ze szwem o przekroju okrągłym do
zastosowań mechanicznych i ogólnotechnicznych. Warunki techniczne
dostawy. Część 1: Rury ze stali niestopowych i stopowych.