BurzyÄąâ ska MateriaÄąâ y konstrukcyjne14

Maja Burzyńska – Szyszko

Materiały konstrukcyjne

Warszawa 2011

Politechnika Warszawska
Wydział Samochodów i Maszyn Roboczych
Kierunek studiów "Edukacja techniczno informatyczna"
02-524 Warszawa, ul. Narbutta 84, tel. (22) 849 43 07, (22) 234 83 48
ipbmvr.simr.pw.edu.pl/spin/, e-mail: sto@simr.pw.edu.pl

Opiniodawca: prof. dr hab. inż. Mieczysław KACZOROWSKI

Projekt okładki: Norbert SKUMIAŁ, Stefan TOMASZEK

Projekt układu graficznego tekstu: Grzegorz LINKIEWICZ

Skład tekstu: Janusz BONAROWSKI

Publikacja bezpłatna, przeznaczona dla studentów kierunku studiów
"Edukacja techniczno informatyczna"

Copyright © 2011 Politechnika Warszawska

Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany
ani rozpowszechniany za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych,
kopiujących, nagrywających i innych bez pisemnej zgody posiadacza praw
autorskich.

ISBN 83-89703-73-4

Druk i oprawa: Drukarnia Expol P. Rybiński, J. Dąbek Spółka Jawna,
87-800 Włocławek, ul. Brzeska 4

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 - sprężystość ............................................................. 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 naprężeń..................................................... 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 żelazo – węgiel ...................................... 83

6.1. Układ równowagi żelazo – węgiel.............................................. 84
6.2. Przemiany w stopach żelazo – 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 żelaza ........................... 147

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

11. Stopy metali nieżelaznych............................ 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 Wyższego 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 ważniejsze 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 żelaza, 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 złożone produkty (przedmioty). Są one jednym z pod-
stawowych cywilizacyjnych bogactw ludzkości. Rozwój materiałów
w dużej 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, że-
laza. Rodzaj użytego materiału wpływał na funkcje użytkowe wytwarza-
nych przedmiotów (narzędzi, broni itp.), a tym samy na warunki życia
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 umożliwił wprowadzenie nowych konstrukcji na poszycia samo-
lotów, a opracowanie żarowytrzymałych stopów na bazie niklu umożli-
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 możliwy. Szczególne znaczenie materiałów wynika z faktu, że zwięk-
szają one dostęp człowieka do energii i informacji. Niestety obecnie
zafascynowani funkcjami użytkowymi produkowanych urządzeń często
zapominamy, że 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 inżynierami.
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 też 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:

Strona

• metale i stopy metali - wiązanie metaliczne,

• ceramikę - wiązanie kowalencyjne lub jonowe,

• polimery - wiązanie kowalencyjne w obrębie makrocząste-

czek i siły Van der Waalsa między makrocząsteczkami.

Dodatkową grupę stanowią kompozyty, które są utworzone, z co naj-
mniej dwóch komponentów o różnych właściwościach i wykazują lepsze
właściwości niż każdy ze składników oddzielnie lub ich mieszanina.

Rysunek 0.1. Klasyfikacja materiałów inżynierskich

Wiązania między
atomami

W tym rozdziale:

Wiązania pierwotne

Wiązania wtórne (międzycząsteczkowe)

OZDZIAŁ

Strona

1.1. Wiązania między atomami

Wytrzymałość materiałów konstrukcyjnych zależna 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. Może
ono powstawać między atomami, w których powłoka walencyjna jest za-
pełniona przynajmniej w połowie. Są one wiązaniami zorientowanymi,
co powoduje, że kąty między nimi zależą 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 różnoimiennych 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
położeniach 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 zbliżania 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, że atom wodoru uzyskuje
ładunek dodatni. Tak przegrupowane ładunki prowadzą do powstania
momentu dipolowego w każdej cząsteczce wody, co z kolei powoduje
ich przyciąganie.

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

• temperatura topnienia,

• sztywność,

Sztywność – naprężenie konieczne do uzyskania jednostkowego odkształcenia.

OZDZIAŁ

Strona

• sprężystość,

• 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

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

Budowa metali
i ich stopów

W tym rozdziale:

Struktura krystaliczna metali

Defekty struktury krystalicznej

Struktura stopów metali

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, dążąc do jak najgęstszego wypełnienia
przestrzeni.

Wiązanie metaliczne:

• niekierunkowe gęste upakowanie atomów duża

gęstość

plastyczność,

• silne wiązanie duża wytrzymałość, twardość, wysoka

temperatura topnienia,

• gaz elektronowy ruchliwe elektrony duże 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. Ponieważ
atomy metali w stanie stałym dążą do jak najgęstszego zapełnia prze-
strzeni, liczba wariantów rozmieszczenia atomów jest ograniczona.
Istnieją dwa sposoby ułożenia warstw atomowych tworzących zwartą
strukturę krystaliczną:

Rysunek 2.2. Ułożenie atomów w zwartych strukturach krystalicznych

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

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

możliwe ułożenia atomów A – atomy trzeciej warstwy są nad atomami

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

ułożone 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.

Każdy 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 można otrzymać przez translację komórki

sieciowej dowolną liczbę razy w trzech kierunkach.

Wszystkie możliwe sieci przestrzenne określone są przez siedem ukła-
dów współrzędnych zwanych układami krystalograficznymi. Jeśli
uwzględnimy możliwe centrowanie komórki elementarnej, to okazuje
się, że w przestrzeni trójwymiarowej jest możliwych 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
każdego 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).

Położenie węzła znajdującego się w narożu 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.

UDOWA METALI I ICH STOPÓW

Strona

Rysunek. 2.3. Komórka sieciowa ze współrzędnymi punktów

Komórkę elementarną sieci przestrzennej charakteryzują następujące
wielkości:

Liczba koordynacyjna (l

). Określa liczbę najbliższych i równood-

ległych atomów od dowolnego atomu sieci. Odpowiada ona liczbie
wiązań atomu, czyli stanowi energetyczną miarę trwałości struktury
krystalicznej.

Liczba atomów (l

) przypadająca na komórkę elementarną. Określa

wielkość charakteryzującą w pewien sposób wielkość komórki zasad-
niczej.

Wypełnienie komórki elementarnej (W

). Jest to stosunek objętości

atomów do objętości komórki zasadniczej, charakteryzujący gęstość
atomową struktury krystalicznej.

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 również metale, zależnie od temperatury
i ciśnienia występują w odmianach różniących 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 – możliwość występowania tego samego pierwiastka w różnych 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 niezależnie od pochodzenia czy
sposobu otrzymywania.

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

Wynika z tego, że zmiana ułożenia 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 zależności od
kierunku badania. Zmiana właściwości kryształu w zależności od kierun-
ku krystalograficznego wiąże się z różną gęstością ułożenia atomów we
wszystkich płaszczyznach i kierunkach sieci krystalicznej. Zjawisko to
nosi nazwę anizotropii. Przykładowo wg [1] monokryształ żelaza a
o strukturze RPC charakteryzuje się wartością współczynnika sprę-
ż

ystości wzdłużnej (stała materiałowa określająca sztywność i sprę-

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

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

Do typowych właściwości anizotropowych należą między innymi: wy-
trzymałość, sztywność, sprężystość, twardość i wydłużenie.

Anizotropia własności kryształów dotyczy monokryształów. W mater-
iałach polikrystalicznych w stanie lanym poszczególne ziarna wykazują
różną, przypadkową orientację krystalograficzną, co przy dużej ilości
ziarn dowolnie zorientowanych powoduje, że właściwości metalu w róż-
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 możliwości 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 złożone są one z bardzo wie-
lu kryształów zorientowanych pod różnymi 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 możliwy 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 zależy od przechłodzenia cieczy, czyli różnicy 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 umożliwiający 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 ułożone w sposób chaotyczny. Oddzielają one obszary
materiału o tej samej strukturze krystalograficznej i o tym samym skła-
dzie chemicznym, różniące 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 różnej strukturze
krystalograficznej i/ lub różnym składzie chemicznym. Dzielimy je na:

• koherentne – atomy granicy jednej fazy są wspólnymi

atomami granicy drugiej fazy,

• półkoherentne,

• niekoherentne.

W pojedynczych ziarnach struktury krystalograficznej mogą również
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
naprężeń rozciągających.

Liczba wakansów w strukturze jest zależna 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 położenie międzywęzłowe. Sytuacja ta
jest możliwa jedynie w strukturach, w których odległości miedzy atoma-
mi są na tyle duże, że atom wytrącony może 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 również występujące w niej
obce atomy. Powoduje to również zniekształcenie sieci krystalicznej
i powstanie naprężeń 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 zbliżony do wymiaru ziarna. Zalicza się do nich dyslokacje
krawędziowe, śrubowe i mieszane. Dyslokacje powstają w procesie
krzepnięcia, a także 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 zależności od położenia ekstrapłaszczyzny wyróżniamy dyslokacje
krawędziowe dodatnie (dodatkowa płaszczyzna jest nad płaszczyzną
poślizgu) i ujemne (z ekstrapłaszczyzną pod płaszczyzną poślizgu). Dys-
lokacje jednoimienne odpychają się, natomiast różnoimienne przyciągają
i jeśli leżą 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 naprężenia stycznego, równolegle

do wektora Burgersa, w wyniku czego następuje przemieszczenie części
kryształu wzdłuż określonej płaszczyzny krystalograficznej. Dyslokacje
przemieszczają się najczęściej po płaszczyznach i w kierunkach krystalo-
graficznych najgęstszego ułożenia atomów. Płaszczyzna krystalograficz-
na najgęściej upakowana atomami, po której porusza się dyslokacja
i kierunek najgęściej obsadzony atomami w niej leżący, wzdłuż 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 pobliżu dyslokacji, a po jej przejściu natychmiast odnawiane, dlatego
naprężenie niezbędne do tego, aby dyslokacja „przesunęła” się przez

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

które je wywołało

OZDZIAŁ

Strona

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

Rysunek 2.13. Model mechanizmu odkształcenia plastycznego przy

braku dyslokacji w strukturze krystalograficznej

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

÷ 10

razy większe od naprężeń

powodujących poślizg dyslokacji.

Efekt, jaki dyslokacja wywołuje w materiale, można porównać do tego,
jak porusza się gąsienica, która ma za mało siły, aby unieść w marszu
ciężar 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 też 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 też dołą-
czanie atomów do dodatkowej półpłaszczyzny powodujące wydłużenie
dyslokacji. Wspinanie zachodzi w temperaturach większych od 0,5 T

top

Rysunek 2.15. Mechanizm wspinania dyslokacji krawędziowej

Dyslokacja śrubowa jest również 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 możliwość 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
złożoną i nieregularną budowę, tworzą pętle i skupiska.

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

Defekty liniowe pod wpływem naprężeń zewnętrznych i w zależności 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 może przemieszczać się dalej. Przeszkodę tę
może pokonać albo na drodze fluktuacji termicznych lub pod wpływem
przyłożonego naprężenia zewnętrznego. Naprężenia potrzebne do uru-
chomienia dyslokacji są tym większe, im mniejsze są odległości między
występującymi w krysztale przeszkodami.

2.3. Struktura stopów metali

W zależności od stężenia 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

złożonej

struktu-

rze.

Jednorodne roztwory stałe

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

e zmieniać się w zakresie od mniej niż 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 zależności od rozmieszczenia ato-
mów domieszek w sieci krystalicznej rozpuszczalnika mogą powstawać
roztwory różnowęzłowe 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% różnicy),

• ten sam typ struktury krystalicznej,

• podobna elektroujemność (przy dużych różnicach 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 zależności 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 różnowęzłowych – rozmieszczenie

atomów rozpuszczonych: a) przypadkowe, b) uporządkowane

(nadstruktura), c) tworzenie skupień (klasterów)

W roztworach różnowęzłowych 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 naprężeń ściskających lub rozciągających.

Fazy międzymetaliczne, międzywęzłowe i o złożonej strukturze

Fazy międzymetaliczne są tworzone przez metale (M1, M2) i mają inną
strukturę niż 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
stężeń, posiadają strukturę fazy międzymetalicznej, ale węzły sieci nie są
w pełni obsadzone atomami obydwu składników. Faza międzymetalicz-
na wykazująca różnice w stosunku do składu stechiometrycznego nazy-
wana jest wtórnym roztworem stałym.

Do faz międzywęzłowych i o złożonej 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 można je przedstawić ogólnymi wzorami

X, M

X, MX, MX

. Przykładowo Fe

N, Fe

N, TiN.

UDOWA METALI I ICH STOPÓW

Strona

Fazy o złożonej 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

Właściwości
mechaniczne
materiałów
konstrukcyjnych

W tym rozdziale:

Gęstość

Sztywność – sprężystość

Wytrzymałość statyczna

Wytrzymałość zmęczeniowa

Twardość

Wiązkość

Kruchość i ścieralność

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 najważniejszych cech materiału
konstrukcyjnego – służy do obliczania masy i ciężaru określonej obję-
tości materiału.

Gęstość materiału (substancji) zależna 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

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

3.2. Sztywność - sprężystość

Aby określić stałą materiałową określającą sztywność i sprężystość
materiałów konstrukcyjnych zdefiniujmy pojęcie naprężenia i odkształ-
cenia.

Jeśli do sześciennej próbki przyłożymy siłę P to działa ona jednakowo
we wszystkich przekrojach próbki równolegle i prostopadle do jej
powierzchni (próbka jest w stanie naprężonym). Wartość naprężenia jest
określona, jako iloraz siły i przekroju próbki. Odpowiednio, siła normal-
na do powierzchni (N) powoduje pojawienie się w próbce naprężenia
rozciągającego, a siła równoległa do powierzchni powoduje naprężania
ś

cinające.

Rysunek 3.1. Definicja naprężenia normalnego i stycznego wg [2]

Pod wpływem działającego naprężenia materiał ulega odkształceniu.
W przypadku naprężenia rozciągającego próbka ulegnie rozciągnięciu
z jednoczesnym zmniejszeniem przekroju poprzecznego. Przy rozciąga-
niu elementarnej kostki sześciennej, jeden bok ulega wydłużaniu, dwa
inne ulegają proporcjonalnemu skracaniu.

OZDZIAŁ

Strona

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

Liczba Poissona (ν) jest współczynnikiem proporcjonalności między
liniowym odkształceniem wzdłużnym i liniowym odkształceniem po-
przecznym. Współczynnik ten jest różny dla różnych 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 naprężenia jest różny w zależności 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 przyłożonego naprężenia, jest moduł sprężystości

wzdłużnej zwany również modułem Younga. Ponieważ odkształcenie
sprężyste

wiąże się z wychyleniem atomów z ich położeń równowago-

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

ystości zależna jest od sztywności wiązań międzyatomowych oraz licz-

by atomów przypadających na jednostkę powierzchni.

Rysunek 3.3. Model mechanizmu odkształcenia sprężystego

Prawo Hooke'a formułuje zależność między naprężeniem a odkształce-
niem sprężystym i definiuje moduł sprężystości wzdłużnej.

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

• przy jednoosiowym rozciąganiu,

gdzie E – moduł sprężystości wzdłużnej (moduł Younga)

• przy ścinaniu,

gdzie G – moduł sprężystości poprzecznej (moduł Kirchhoffa),

– rzeczywiste odkształcenie ścinania.

• przy trójosiowym ściskaniu

– K

∆

gdzie K – moduł ściśliwości,

Odkształcenie sprężyste– odkształcenie, które ustępuje po usunięciu naprężenia, które

je wywołało.

OZDZIAŁ

Strona

∆

– odkształcenie objętościowe.

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

charaktery-

zujące właściwości sprężyste materiałów. Między poszczególnymi
modułami występują następujące zależności:

)

(

)

(

−

Przyjmując dla metali wartość

= 1/3 między modułami uzyskujemy

proste zależności:

≈E, G≈3/8 E

Tabela 3.3. Modułu sprężystości (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 (wzdłuż 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 naprężeń stałych lub
jednostajnie narastających) materiałów konstrukcyjnych wyraża napręże-
nie, po przekroczeniu którego materiał odkształca się plastycznie lub
pęka. Zależne jest to od tego, czy odkształceniu poddajemy materiały
kruche czy też sprężysto – plastyczne.

Wytrzymałość statyczną oraz właściwości plastyczne materiałów wy-
znacza się w próbie rozciągania, w której znormalizowaną próbkę
poddaje się działaniu narastającego naprężenia 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 można wy-
znaczyć następujące wielkości:

• R

p0,2

[MPa] umowną granicę plastyczności. R

p0,2

– jest to

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

• R

[MPa] wytrzymałość na rozciąganie. R

– jest to napręże-

nie umowne, odpowiadające maksymalnej wartości siły F

• A

[%] wydłużenie nieproporcjonalne procentowe przy

największej sile. A

– jest to przyrost wydłużenia niepro-

porcjonalnego

(plastycznego)

długości

próbki

przy

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

• A

[%] wydłużenie całkowite procentowe przy największej

sile. A

– jest to przyrost długości pomiarowej próbki (wy-

dłużenie sprężyste i plastyczne) przy największej sile, wyra-
ż

ony w procentach początkowej długości pomiarowej.

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

przyrost długości pomiarowej próbki po jej zerwaniu, wyra-
ż

ony w procentach początkowej długości pomiarowej.

OZDZIAŁ

Strona

• A

[%] wydłużenie całkowite po rozerwaniu. A

– jest to

wydłużenie całkowite (sprężyste i plastyczne) długości po-
miarowej próbki w momencie rozerwania, wyrażone w pro-
centach początkowej długości pomiarowej.

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

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

Poniżej przestawiono przykładowe wyniki statycznej próby rozciągania
we współrzędnych naprężenie – odkształcenie dla materiału, który wyka-
zuje właściwości sprężysto – plastyczne.

Rysunek 3.4. Krzywa naprężenie – 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 przyłożonego naprężenia. Zakres proporcjonalności odnosi się do
odkształceń sprężystych i potwierdza prawo Hooke'a. Po przekroczeniu
naprężenia 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, że dla wielu krzywych rozciągania precyzyjne wyzna-
czenie tego punktu jest utrudnione, wprowadzono pojęcie umownej
granicy plastyczności R

p0,2

. Dla metali, czyli materiałów sprężysto plas-

tycznych, umowna granica plastyczności jest miarą wytrzymałości
statycznej.

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

Po osiągnięciu maksymalnego naprężenia wykres ma charakter malejący
z wyraźnym ciągłym spadkiem naprężenia. Jest to związane z pojawie-
niem się przewężenia, zwanego „szyjką”, w rozciąganej próbce. Przy
dalszym wzroście naprężenia umocnienie materiału staje się niewystar-
czające, aby przenieść wzrastające naprężenie spowodowane zmniejsze-
niem przekroju próbki. Materiał staje się niestabilny i proces przewęże-
nia postępuje szybko. Przy naprężeniu 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 naprężeń niezbędnych do dalszego odkształ-
cenia powtarzają się kilka razy, przy czym zawsze są mniejsze od naprę-
ż

enia, które zapoczątkowało odkształcenie plastyczne. Związane jest to z

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

Górna granica plastyczności R

– jest to naprężenie rozciągające, przy

którym zachodzi nagłe wydłużenie próbki oraz spadek naprężenia.

Dolna granica plastyczności R

– jest to minimalne naprężenie (w

przypadku, gdy na wykresie jest więcej niż jedno lokalne minimum, to
należy 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 naprężenie – odkształcenie

z wyraźną granicą plastyczności

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

gdzie:

– naprężenia dopuszczalne na rozciąganie,

– współczynnik bezpieczeństwa.

3.4. Wytrzymałość zmęczeniowa

Niejednokrotnie materiały zastosowane w częściach maszyn oraz ele-
menty konstrukcji podlegają obciążeniom zmieniającym się w czasie np.
okresowo. Są to obciążenia zmienne, a naprężenia przez nie wywołane
są naprężeniami zmiennymi mającymi, w większości przypadków prze-
bieg sinusoidalny. Obciążenia te prowadzą do zniszczenia materiału

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

wskutek utworzenia mikropęknięć i ich późniejszej propagacji lub też
propagacji już istniejących pęknięć. Zniszczenie materiału, a właściwie
jego pęknięcie, zachodzi przy wartościach naprężeń mniejszych od
granicy plastyczności. Obniżanie się wytrzymałości przy działaniu na-
prężeń zmiennych nosi nazwę zmęczenia materiałów.

Rysunek 3.6. Sinusoidalny przebieg naprężeń zmiennych:

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

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

Wytrzymałość zmęczeniową Z

określa się jako maksymalne napręże-

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

• N

= 10x106 dla stali i innych stopów żelaza,

• N

= 100x106 dla stopów metali nieżelaznych.

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

dla

ustalonej wartości

. Każdej wartości

σa odpowiada liczba cykli nisz-

czących o ile

nie obniży 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 każdego 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 nieżelaznych. Polega ona na pomiarze głębokości
odcisku dokonanego wzorcowym stożkiem diamentowym lub hartowaną
stalową kulką. Metoda ta jest łatwa w użyciu i szybka, gdyż wartość
twardości odczytywana jest na specjalnym wskaźniku, bez konieczności
dokonywania dodatkowych pomiarów i obliczeń. Dodatkową jej zaletą
jest to, że 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 każda przeznaczona jest do różnych 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 nieżelaznych

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 zależy 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 zbliżona zasadą działania do metody
Rockwella. Twardościomierze IRHD są wyposażone we wgłębnik
w kształcie kulki, który jest wciskany w próbkę z obciążeniem wstęp-
nym i głównym. Mierzona jest różnica wgłębień i przeliczana bezpo-
ś

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

binacje metody (3 zakresy) różniące się obciążeniem 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 zależności od siły
nacisku oraz stosowanego wgłębnika wyróżnia 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 sprężynują-
cego przy zastosowaniu odpowiedniego wgłębnika.

OZDZIAŁ

Strona

3.6. Wiązkość

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

Wiązkość – G

[kJ/m

] .jest wartością energii wymaganej do utworzenia

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

Kryterium propagacji pęknięcia wyraża się wzorem:

gdzie:

σ – działające naprężenie,

a – długość początkowa pęknięcia,

E – moduł Younga,

– wiązkość.

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

• przy działającym naprężeniu

w materiale wystąpi krytycz-

na długość pęknięcia lub

• na materiał, w którym występuje pękniecie o długości a

i działa naprężnie o krytycznej wartości

Wyrażenie

nazywane jest współczynnikiem intensywności

naprężeń i oznaczane symbolem K.

Wartość wyrażenia po prawej stronie równania zależy jedynie od cech
materiałowych (E i G

) i nazywana jest krytycznym współczynnikiem

intensywności naprężeń (K

)

Współczynnik intensywności naprężeń zależy, więc od rozmiarów szcze-
liny i od przyłożonego obciążenia. W warunkach, gdy naprężenie nomi-

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

nalne

przy danej długości szczeliny a osiągnie wartość, przy której

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

). Ma on szczególne znaczenie dla badania

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

Mikropęknięcia występujące w materiale powodują koncentrację naprę-
ż

eń na wierzchołkach pęknięć, co powoduje, że lokalne naprężenia wy-

stępujące w materiale są wyższe od naprężeń średnich. Odporność ma-
teriału na nagłe pękania związana jest z możliwością relaksacji koncen-
tracji lokalnych naprężeń.

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

ilość energii związanej z odkształceniem plastycznym, co oznacza, że

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

mają wysokie wartości.

Przeciwieństwem wiązkości jest kruchość. Materiały kruche mają możli-
wość odkształcenia plastycznego w ograniczonym zakresie i mogą przy-
jąć znacznie mniej energii niż materiały o dużej wiązkości i tym samym
propagacja pęknięć zachodzi w nich znacznie łatwiej (przy niższych
naprężeniach).

Tabela 3.3. Przykładowe wartości wiązkości G

i krytycznego

współczynnika naprężeń 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 obciążeniom dynamicznym, może 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 wiąże się ze spadkiem ruchliwości dyslokacji. Leży ona zazwyczaj
w zakresie temperatur ujemnych. Nie wszystkie materiały w sposób jed-
nakowy są wrażliwe na działanie niskich temperatur. Stopy niklu,
aluminium i miedzi nie są wrażliwe na działanie obniżonej temperatury.
W stopach żelaza, a w szczególności w stali, temperatura progu kruchoś-
ci jest wyraźna, a spadek odporności na pękanie może być bardzo duży.

Miarą odporności metali i ich stopów na pękanie przy dynamicznych
obciążeniach jest udarność, która zgodnie z PN EN 10045-1: 1994
wyrażana jest energią K[J] zużytą na złamanie próbki. Metoda polega na
dynamicznym obciążeniu 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 obniżonych temperaturach).

3.7. Kruchość i ścieralność

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

) do wytrzymałości na ściskanie (R

); wielkość tę oblicza

się wg wzoru:

k =

Jeżeli wartość k < 1/8 to mamy do czynienia z materiałem kruchym
(żeliwo, szkło, skały, beton zwykły, ceramika). Materiały kruche, po
przekroczeniu pewnej wartości naprężenia, ulegają zniszczeniu, nie wy-
kazując żadnych odkształceń plastycznych. Charakteryzują się dużymi

ŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH

Strona

różnicami 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
naprężeń, 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.

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

Do najczęściej spotykanych rodzajów zużycia materiałów można
zaliczyć wg [4]:

• zużywanie adhezyjne, które jest związane z adhezją po-

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

• zużywanie ścierne, które jest związane z dużą chropowa-

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

• zużywanie 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,

• zużywanie erozyjne powstaje w wyniku uderzenia drobnych

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

• zużywanie chemiczne występuje wskutek reakcji chemicz-

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

• zużywanie cieplne zachodzi w wyniku wydzielania się dużej

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

OZDZIAŁ

Strona

cieralność zależy 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 zużyciu 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 obciążeniem. 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 obciążenia podzielone
przez przekrój początkowy próbki, które po upływie określonego czasu
działania w danej stałej temperaturze, spowoduje rozerwanie próbki.

Metody umacniania
materiałów
plastycznych

W tym rozdziale:

Umocnienie roztworowe

Umocnienie wydzieleniowe

Umocnienie przez rozdrobnienie ziarn

Umocnienie odkształceniowe

Zdrowienie i rekrystalizacja

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 dużą rolę
w procesach dyfuzji i korozji.

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

). Jak już 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, gdyż
zamiast jednoczesnego zerwania i odtworzenia wszystkich wiązań
atomowych w płaszczyźnie, następuje kolejno przemieszczenie się
atomów znajdujących się w pobliżu dyslokacji (rysunek 2.13 i 2.14).
Dodatkowym ułatwieniem jest to, iż atomy te są przesunięte z położeń o
najniższej energii. Dlatego też obecność dyslokacji w strukturze
krystalicznej powoduje, iż rzeczywista wytrzymałość poszczególnych
materiałów jest zdecydowanie niższa od teoretycznej, niezależnie 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, że wykorzystanych jest zaledwie 5 – 10%
teoretycznej siły wiązań Fe. Za te właśnie różnice odpowiedzialne są
dyslokacje, czyli liniowe defekty sieci. Gdy dyslokacja przemieszcza się
przez kryształ, następuje zerwanie i odtworzenie wiązań między atoma-
mi. Dlatego też właściwości wytrzymałościowe w dużym stopniu zale-
ż

ne są od wartości sił międzyatomowych w wiązaniach. Materiały takie

jak diament, węgliki, azotki itp., cechuje duży 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 rozważań wynika, iż wytrzymałość i twardość metali
można 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 możliwości 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 możliwości 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 naprężenie styczne potrzebne do
przemieszczenia dyslokacji poza obszar występowania przeszkody jest
większe od stycznego naprężenia krytycznego

zapoczątkowującego ruch

dyslokacji.

W zależności od rodzaju wytworzonych przeszkód wyróżniamy
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 naprężenie styczne – minimalne naprężenie styczne działające w kierunku

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

OZDZIAŁ

Strona

• blokowania dyslokacji – atomy rozpuszczone tworzą skupis-

ka wokół rdzeni dyslokacji i je blokują. Do uruchomienia
tak zakotwiczonych dyslokacji wymagane jest naprężenie
większe od naprężenia krytycznego. Przykładowo, w celu
zmniejszenia miejscowych naprężeń rozciągających, atomy
węgla w stopach żelaza 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 naprężeń powodującego wzrost naprężenia stycznego
niezbędnego do uruchomienia dyslokacji. Czyli atomy roz-
puszczone w sieci krystalicznej powodują zburzenie „gład-
kości” płaszczyzn poślizgu.

Stopień umocnienia roztworowego zależny jest od tego, jaki roztwór
(międzywęzłowy czy różnowęzłowy) tworzą dodatki stopowe w struktu-
rze osnowy oraz od stężenia 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 stężenia roztworu wzrasta napręże-
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
niż osnowa. Obecność faz obcych stanowi źródło znacznego umocnienia
materiału wynikającego z oddziaływania dyslokacji z rozmieszczonymi
w ziarnie cząstkami. Stopień umocnienia zależny jest od składu che-
micznego cząstki (rodzaj wiązania między atomami) ich wielkości,
liczby oraz rozmieszczenia w ziarnie. Ze względu na źródło powstawa-
nia cząstek wyróżniamy 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 niż osnowa, są na ogół cząstkami o wyso-
kim module sprężystości i charakteryzują się dużą twardością. Dysloka-
cja może pokonać te przeszkody przy naprężeniu 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
naprężenia stycznego niezbędnego do ominięcia dyspersyjnych wydzie-
leń rozmieszczonych w ziarnach, a tym samym umocnienie materiału,
można przedstawić za pomocą zależności:

Rysunek 4.1. Umocnienie wydzieleniowe:

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

dyslokacji, e) zależność naprężenia 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 również granice ziarn, na których zachodzi spiętrzanie się
i kotwiczenie dyslokacji.

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

Dlatego też im drobniejsze jest ziarno w metalu, tym większy jest efekt
umocnienia stopu i uzyskuje się wyższe 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
naprężenia stycznego, następnie rozprzestrzenia się na ziarna z płasz-
czyznami poślizgu zbliżonymi do kierunku działania naprężenia styczne-
go, aż kolejno obejmuje wszystkie ziarna. Wynika z tego, iż 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

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

Potencjał rozdrobnienia ziarna, jako metody umocnienia polikrystalicz-
nych materiałów metalicznych przedstawia równanie Halla – Petcha
wiążących 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 naprężeń zewnętrznych wzrasta
w materiale gęstość dyslokacji. Dyslokacje, przy wzrastającej gęstości
zaczynają się nawzajem blokować, co prowadzi do zwiększenia napręża-
nia stycznego niezbędnego do ich uruchomienia. Jeżeli 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 dużych 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, że do
dalszego odkształcenia niezbędny jest wzrost naprężania, co widoczne
jest na krzywej naprężnie – odkształcenie przedstawionej w rozdziale
trzecim (rysunek 3.3).

OZDZIAŁ

Strona

Iloraz przyrostu naprężeń odkształcających i odkształcenia wyznacza
współczynnik umocnienia:

Odkształceniowe umocnienie metalu uzyskiwane jest w temperaturach
niższych od temperatury rekrystalizacji określonej poniższą zależnością 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 obniża właściwości plastycz-
ne, co niejednokrotnie jest zjawiskiem niekorzystnym szczególnie przy
kształtowaniu wyrobów przez obróbkę plastyczną na zimno. Znaczny
wzrost gęstości dyslokacji może doprowadzić do tak znacznego umoc-
nienia, iż obrabiany materiał w wyniku pękania ulega zniszczeniu.

Zmianom mikrostruktury spowodowanym odkształceniem materiału pod
wpływem obróbki plastycznej na zimno towarzyszy pojawienie się na-
prężeń 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 też umocniony materiał posiada wyższą energię swobodną
wynikającą z występowania w strukturze dużej ilości dyslokacji i wakan-
sów oraz ograniczonych dróg przemieszczania się dyslokacji. Jest w sta-
nie metastabilnym, czyli dąży do wydzielenia nadmiaru energii. Przy
dużych 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 stężenia 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 obniżenie naprężeń 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 również procesem aktywowanym cieplnie przebie-
gającym w temperaturach wyższych 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, ponieważ
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 różne wartości dla różnych
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 też wpływ na temperaturę rekrystali-
zacji, im większy zgniot, tym materiał magazynuje większą energię od-
kształcenia i tym samym potrzebny jest mniejszy bodziec (niższa 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 również 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
duże zróżnicowanie wielkości ziarn. Charakterystyczną cechą materiału
o strukturze gruboziarnistej jest wysoka kruchość.

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

Odkształcenie przeprowadzone powyżej T

rek

nie powoduje umocnienia

metalu i określane jest obróbką plastyczną na gorąco. Brak umocnienia
wynika z faktu, że 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 możliwości uzyskiwania jednorazowo, bez
pośrednich obróbek cieplnych, znacznych odkształceń materiału.

OZDZIAŁ

Strona

Układy równowagi
fazowej

W tym rozdziale:

Reguła faz Gibbsa

Dwuskładnikowe układy równowagi

Mechanizm i kinetyka przemian fazowych

OZDZIAŁ

Strona

5.1. Reguła faz Gibbsa

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

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

S = n – f + 2

Jako liczbę stopni swobody w danym układzie rozumiemy liczbę nieza-
leżnych czynników zewnętrznych i wewnętrznych (temperatura, ciśnie-
nie, skład chemiczny), które mogą być dowolnie zmieniane pod warun-
kiem, że 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 żaden z parametrów układu
(p ani T) nie może 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) może ulec zmianie nie wywołując zmiany
składu fazowego. Zmiana jednego parametru powoduje
samoistną zmianę drugiego z parametrów i układ pozostaje
w równowadze – nie można 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, że 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 zależność opisująca regułę faz przyjmuje
postać:.

S = n – f + 1

Z analizy reguły faz Gibbsa, dla krzepnięcia czystego metalu przy stałym
ciśnieniu wynika, że równowaga między fazą stała i ciekłą może 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 założeniu stałego ciśnienia są wykresami
sporządzanymi we współrzędnych prostokątnych, gdzie na osi odciętych
występuje stężenie składników stopowych (w % wagowych lub atomo-
wych), a na osi rzędnych temperatura (zwykle w °C). Wykresy te sporzą-
dzane są doświadczalnie dla każdego 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 zależności 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 najniższą 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, ponieważ do ustalenia równowa-
gi termodynamicznej układu (zbioru faz) wymagany jest długi czas.

W układzie dwuskładnikowym liczba stopni swobody może przyjmować
następujące wartości:

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

zachować równowagę między fazami nie można zmienić
ż

adnego z czynników (stężania żadnej z faz ani

temperatury),

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

jąc równowagi między fazami można w pewnym zakresie
zmienić albo stężenie jednej z faz albo temperaturę,

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

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

KŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ

Strona

W układach dwuskładnikowych znajdujących się pod stałym
ciśnieniem proces krystalizacji może 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 stężenie, 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, iż zmiana tempera-
tury powinna pociągać za sobą samoistną zmianę stężenia 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 stężeniu 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, iż

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 można 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 poniżej:

Skład chemiczny stopu wynosi 68% składnika B i 32% składnika A
i oczywiście w trakcie chłodzenia nie może 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 już 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 można 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 można przedstawić zależnością:

(mL + m

β)C0 = mβ Cβ1 + mLCL1

Z przekształcenia bilansu masy otrzymujemy stosunek udziału fazy L do

−

ponieważ 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 można jednak określić ich

względnych udziałów. Brak możliwości 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, iż 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 wzdłuż linii likwidus od

stężania 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 aż do jego zakończenia, powinien

zgodnie z regułą faz, przebiegać w stałej temperaturze.

Na podstawie analizy układu równowagi fazowej można określić nie
tylko przebieg przemiany ciecz – ciało stałe, ale również 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 już żadne 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

. Ponieważ nasz stop ma teraz większą zawar-

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

na granicach ziarn, tworząc obszary o dużej

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 obniżaniem temperatury faza ciekła L

zmienia swój skład wzdłuż linii likwidus i w temperaturze T

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

z jed-

noczesnym tworzeniem dwóch roztworów stałych

). Chłodzenie poniżej 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 obniżeniem

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

) powoduje wydzielanie fazy

(

). Stop w temperaturze otoczenia jest również 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, że 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 stężeniu 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 można 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 możliwa 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 aż do zaniku

cieczy lub fazy

Stopy o stężeniu 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 stężeniu 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 też po zakończonej
krystalizacji nie będą już 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 stężeniu składników (n/m) tworzą fazę międzymetaliczną
o innej strukturze krystalograficznej niż 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 możliwość rozpatrywania dwóch niezależnych
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 też
powstawać nietrwałe związki międzymetaliczne, które w trakcie krystali-
zacji powstają w wyniku przemiany pertektycznej.

Niejednokrotnie fazy międzymetaliczne powstają w szerszym zakresie
stężeń 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, iż dane zawarte w układach
równowagi dają wiele informacji służących do określenia właściwości
stopów z danego układu.

Układy równowagi fazowej przedstawiają w sposób graficzny stan
poszczególnych stopów układu i można 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 można 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 też, poza dany-
mi uzyskanymi z wykresów równowagi należy, uzyskać informacje do-
tyczące kinetyki poszczególnych przemian fazowych.

Mimo, że 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 każdego układu do osiągnięcia stanu o najniższej
energii. W związku z tym siłą napędową przemian fazowych jest różnica
energii swobodnej fazy wyjściowej i fazy produktu w określonej
temperaturze, wrażonej 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 niższej od T

trwała jest faza

natomiast w temperaturze

wyższej od T

trwała jest faza

(rysunek 5.10b).

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

OZDZIAŁ

Strona

różnicy temperatur T

– T

. Istnienie siły napędowej nie gwarantuje jed-

nak zajścia przemiany, muszą również wystąpić odpowiednie warunki
umożliwiające jej przebieg.

Dlatego też 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) różniącą 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 może
być:

• dyfuzyjny – wymagający dyfuzji atomów,

• bezdyfuzyjny – polegający na niewielkim przemieszczeniu

atomów z położeń 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 różnią się pomiędzy
sobą składem chemicznym. Dlatego też 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
można 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, iż jest to lokalny przepływ materii pod wpły-
wem działania gradientu potencjału chemicznego w kierunku zmniej-
szającego się gradientu stężenia.

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 może zachodzić
tylko w skali atomowej.

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

D = D0 exp(–Q/RT),

gdzie:

–

stała dyfuzji (m

/s) charakterystyczna dla danego materiału (zależy

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, że współczynnik dyfuzji rośnie wraz ze wzros-
tem temperatury, co oznacza, że w wyższych temperaturach proces dyfu-
zji zachodzi łatwiej, a w niskich może być pomijalnie mały. Związane
jest to z faktem, iż 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 umożliwia mu przejście w nowe położenie.

Dyfuzja w materiałach polikrystalicznych zachodzi:

• równolegle do powierzchni – Q

pow.

• przez ziarna krystaliczne – Q

obj.

•

wzdłuż 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 mechaniż-
mów: dyfuzja międzywęzłowa (rysunek 5.11 a), mechanizm wakansowy
(rysunek 5.11 b) i mechanizm pierścieniowy (rysunek 5.11 c)

Wartości współczynników dyfuzji można 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, iż na kinetykę przemiany mają
wpływ dwa przeciwstawne czynniki. Rozpatrując przemianę zachodzącą
w trakcie chłodzenia materiału uzyskujemy:

• z jednej strony przy zwiększaniu przechłodzenia (większa

różnica 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 obniża 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-
ż

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, zależności 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 aż 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 można otrzymać w zależności 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 służą do projek-
towania procesów obróbki cieplnej.

OZDZIAŁ

Strona

Rysunek 5.13. Metoda ustalania przebiegu wykresu CTP

Stopy żelazo – węgiel

W tym rozdziale:

Układ równowagi żelazo – węgiel

Przemiany w stopach żelazo – węgiel

OZDZIAŁ

Strona

6.1. Układ równowagi Fe-C

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

= 7,87 Mg/m

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

Tabela 6.1. Własności mechaniczne technicznego żelaza

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]

Wydłużenie

= 50

÷ 40 [%]

= 40

30 [%]

Moduł sprężystości

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 również
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 żelaza

b) zmiana parametru sieci krystalograficznej żelaza w zależności 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 rozważań w metaloznawstwie stopów żelaza z wę-
glem jest układ równowagi fazowej Fe – C. Układ ten ma ogromne zna-
czenie praktyczne, ponieważ występujące w nim przemiany stanowią

OZDZIAŁ

Strona

podstawę otrzymywania powszechnie stosowanych stopów żelaza z wę-
glem (stali i żeliw) 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 żeliwach białych, a wykres Fe – grafit opisuje równowagę
w stopach (żeliwach szarych) zawierających węgiel w postaci wolnej –
grafitu.

Ponieważ 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 żelazo węgiel jest
układem złożonym, 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 różne zabiegi cieplne
można kształtować i otrzymywać różne mikrostruktury, a w konsekwen-
cji wymagane właściwości mechaniczne stopów żelaza.

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 żelazie 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 wydłużeniu (A

= 40%) wg [7].

Austenit (

γγγγ

) – Międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe

o strukturze

regularnej ściennie centrowanej. Stosunkowo duże rozmiary luk sięcio-
wych umożliwiają 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 żelaza 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 różnych zakresach temperatury jako:

cementyt pierwszorzędowy – podczas krzepnięcia,

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

wraz z obniżaniem temperatury oraz jako

jeden ze składników mieszaniny eutektoidalnej,

cementyt trzeciorzędowy – podczas obniżania 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 wzdłuż równoległych heksagonal-
nych płaszczyznach, w których występuje wiązanie kowalencyjne. Właś-
ciwości wytrzymałościowe grafitu są tak małe, że jego wydzielenia
traktowane są, jako nieciągłość metalowej osnowy stopu. O właściwoś-
ciach stopów z grafitem (żeliwa 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 żelaza oznaczony jest wzorem Fe

C. W temperaturze

otoczenia istnieją tylko dwie fazy:

i Fe

C, których udziały w stopach

zależą od zawartości węgla.

OZDZIAŁ

Strona

Rysunek 6.2. Wykres układu równowagi fazowej Fe – C

W układzie obok przemian alotropowych żelaza 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 złożoną 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.

Jeżeli rozważyć, 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 żadne przemiany).
Z chwilą osiągnięcia przezeń temperatury przemiany eutektoidalnej, aus-
tenit rozpada się w mieszaninę, ułożonych na przemian, płytek ferrytu i
cementytu drugorzędowego – zwaną perlitem.

przemiana eutektoidalna (perlityczna)

α + Fe

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

α (roztwór węgla w żelazie 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, aż w końcu austenit podlega przemianie alotropowej Fe

Po zakończeniu przemiany, która odbywa się w stałej temperaturze, na-
stępuje obniżenie 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 niż 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 stężenia węgla w Feγ aż do zawartości punktu eutek-
toidalnego. Z chwilą osiągnięcia temperatury przemiany eutektoidalnej,
pozostały austenit (zawierający 0,8% węgla) rozpada się w mieszaninę,
ułożonych 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 powyżej 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 aż 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
różni się od zawartości 0,8%C.

Z przestawionych danych wynika, że dla dwufazowych stopów żelaza
z węglem (

+Fe

C) można, w zależności od zawartości węgla, uzyskać

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

OZDZIAŁ

Strona

Rysunek 6.6. Strukturalny układ równowagi Fe–Fe

Ledeburyt – Mieszanina eutektyczna austenitu i Fe

(I)

(pierwszorzę-

dowego), powstająca podczas krzepnięcia ciekłego stopu o zawartości
4,3%C. Ledeburyt jest składnikiem, tzw. żeliwa białego o bardzo dużej
twardości.

Perlit – Mieszanina eutektoidalna ferrytu i Fe

(II)

(drugorzędowego),

powstająca z rozpadu austenitu o zawartości 0,8%C. Perlit ma najczęś-
ciej budowę płytkową, w której płytki ferrytu są ułożone na przemian
z płytkami cementytu drugorzędowego.

KRĘCANIE PRĘTÓW O PRZEKROJACH KOŁOWYCH

Strona

6.2. Przemiany w stopach Fe-C

Przemiana perlityczna

Jak już stwierdzono w rozdziale 5 szybkość przemian dyfuzyjnych w du-
ż

ym stopniu zależna jest od temperatury. Dlatego też 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 poniżej 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 obniżania temperatury szybkość prze-

miany przechłodzonego austenitu maleje i w temperaturze
około 280

°C istnieje drugi zakres minimalnej szybkości jego

rozkładu,

• poniżej temperatury M

linie początku i końca przemiany

austenitu zanikają, co wskazuje, że zachodząca przemiana
austenitu ma inny charakter niż w wyższych temperaturach.

W temperaturach niższych od M

zachodzi bezdyfuzyjna przemiana

austenitu

zwana przemianą martenzytyczną.

Czyli ze względu na charakter zachodzących przemian możemy na wy-
kresie wyróżnić 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

• może zachodzić w warunkach izotermicznych oraz podczas

ciągłego chłodzenia,

• szybkość przemiany w znacznym stopniu zależna jest od

temperatury,

• zasięg przemiany zależy od czasu i temperatury.

Przemiana bainityczna

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

• w temperaturze powyżej 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 poniżej 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 niższa 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 dużego 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 duża, 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

umożliwiającej 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 żelaza,

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

Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie
temperatury od M

do M

W stałej temperaturze powstawanie marten-

zytu ustaje, ponieważ powstałe podczas wzrostu soczewek odkształcenie
płaszczyzn sieciowych, powoduje wzrost energii układu a tym samym
zmniejszenie siły napędowej przemiany. Martenzyt ma strukturę iglastą,
ponieważ 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
dużym przesyceniem żelaza węglem.

Rysunek 6.8. Schematyczny wykres CTP dla przemiany bezdyfuzyjnej

RSC ŕ RPC w żelazie 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 położenie 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 zależ-

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

• pomiędzy sieciami austenitu i martenzytu zachowana jest

cisła zależność orientacji – martenzyt jest koherentny z się-

cią austenitu,

OZDZIAŁ

Strona

• wymaga ciągłego chłodzenia między M

oraz M

• szybkość przemiany nie zależy od temperatury,

• zasięg przemiany zależy 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 umożliwiającej 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 – duża 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. Ponieważ objętość właściwa austenitu jest
mniejsza niż 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 umożliwia

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 powyżej 400°C, dokonuje się wzrost
submikroskopowych wydzieleń cementytu, który przybiera
postać sferoidalną. Przy najwyższych temperaturach odpusz-

KRĘCANIE PRĘTÓW O PRZEKROJACH KOŁOWYCH

Strona

czania procesami dominującymi staje się rozrost ziarna i ce-
mentytu drobnoziarnistego, który nosi nazwę sorbitu (odzna-
cza się z reguły wyższą granicą plastyczności i wyższym
wydłużeniem i przewężeniem niż ta sama stal o strukturze
perlitycznej).

OZDZIAŁ

Strona

100

Wpływ węgla
i dodatków stopowych
na strukturę
i właściwości
stopów układu Fe-C

W tym rozdziale:

Wpływ zawartości węgla na strukturę i właściwości
stali

Wpływ dodatków stopowych na strukturę
i właściwości stali

Wpływ węgla i dodatków stopowych na strukturę
i właściwości żeliw

OZDZIAŁ

Strona

102

Właściwości mechaniczne stopów w dużej mierze związane są ze struk-
turą stopów, (wielkością ziarna ich kształtem oraz sposobem rozłożenia
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 rozłożone 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 żelaza z węglem w zależności od zawartości węgla dzielimy na
2 podstawowe grupy:

• stale zawierające do 2 % węgla,

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

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

Stale, w których głównym składnikiem stopowym jest węgiel nazywamy
stalami niestopowymi. Prócz węgla zawierają one również 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

) obniżające 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 zależności
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,
gdyż druga faza, występująca w mikrostrukturze, czyli ferryt jest roztwo-
rem stałym o niskich właściwościach wytrzymałościowych. Cementyt
powoduje wzmocnienie stopów żelaza 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 powyżej tej zawartości zaczyna się obniżać. Przyczyną tego jest poja-

OZDZIAŁ

Strona

104

wienie się na granicach ziarn perlitu ciągłej siatki cementytu drugo-
rzędowego, co powoduje, że stal staje się krucha i łatwiej ulega pękaniu.

Rysunek 7.1. Wpływ zawartości węgla na właściwości mechaniczne

stali niestopowych wg [8]

Właściwości plastyczne stali niestopowych: wydłużenie A, przewężenie
Z i udarność K ze wzrostem zawartości węgla maleją. Obniżają się
również właściwości technologiczne jak podatność na odkształcenie itp.
Podane na wykresie (rysunek 7.1) zależności odnoszą się do stanu
bliskiego równowagi.

Wpływ dodatków stopowych na strukturę
i właściwości stali

Dodatki stopowe do stali wprowadza się w celu:

• zwiększenia własności wytrzymałościowych stopów (umoc-

nienie roztworowe i wydzieleniowe),

• wywołania zmian strukturalnych,

• uzyskania specjalnych własności fizycznych i chemicznych

(np. odporności na korozję) oraz technologicznych,

PŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI

STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

105

• i zwiększenia hartowności,

W zależności od ilości i rodzaju pierwiastków stopowych mogą one:

• rozpuszczać się w ferrycie lub austenicie,

• tworzyć z żelazem 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 żelaza 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 różnowęzłowy, 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 też pierwiastki te często są składnikami stali konstrukcyjnych.
Umocnienie roztworowe pierwiastkami stopowymi stali nie ulega likwi-
dacji w wyniku jej przegrzania. Dlatego też stale te podczas spawania
lub pracy w podwyższonych temperaturach (np. narzędzia skrawające)
nie tracą swoich właściwości wytrzymałościowych.

– przemiana zachodząca w czystym żelazie 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.

OZDZIAŁ

Strona

106

Pozostałe silnie węglikotwórcze pierwiastki nie powodują znacznego
umocnienia ferrytu. Tworzą natomiast węgliki – w stalach narzę-
dziowych wywołując umocnienie wydzieleniowe małymi cząstkami
twardych faz.

Rysunek 7.2. Wpływ zawartości pierwiastków stopowych na właściwości

mechaniczne: a) twardości, b) wytrzymałość na rozciąganie,

c) udarność, d) przewężenie wg [8]

Wpływ pierwiastków stopowych na rozrost ziarna austenitu

Skłonność stali do drobnoziarnistości lub gruboziarnistości zależy od
składu chemicznego oraz sposobu odtlenienia stali. Dodatki stopowe
zmniejszają skłonność ziarna austenitu do rozrostu. Węglikotwórcze pie-
rwiastki stopowe takie jak molibden, wanad, wolfram i tytan tworzą
trudno rozpuszczalne dyspersyjne węgliki, które są barierami hamujący-
mi rozrost ziaren austenitu. Podobnie działa aluminium dodawane do

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 ułożonych na granicach
ziarn skutecznie hamują ich rozrost, dopóki nie ulegną rozpuszczeniu.
Struktura drobnoziarnista zapewnia wyższe 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 żelaza
i strukturę stali stopowych

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

. Część pierwiastków stopowych obniża temperaturę prze-

miany alotropowej A

i zwiększa A

(jak na rysunku 7.3 a). Wraz ze

wzrostem stężenia pierwiastka stopowego zakres równowagowy fazy

znacznie się zwiększa aż do stężania, przy którym zanika przemiana
alotropowa i austenit jest fazą stabilną od temperatury otoczenia aż do
temperatury topnienia. Tego rodzaju układ mają pierwiastki, które
z żelazem 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 obniżają temperaturę A

mają układ równowagi przedsta-

OZDZIAŁ

Strona

108

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

Dlatego też 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 położenie punk-
tów krytycznych oraz temperatury przemian alotropowych struktury stali
stopowych i niestopowych o tej samej zawartości węgla mogą się
w istotny sposób różnić.

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

Wpływ pierwiastków stopowych na przemianę przechłodzonego
austenitu

Dodatki pierwiastków stopowych mogą obniżać lub podwyższać 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.

Jeżeli węgliki pierwiastków stopowych nie zostały rozpuszczone w au-
stenicie to może 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 uboższy 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, ponieważ zarodki przemiany
dyfuzyjnej powstają na granicach ziarn.

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

)

i (M

) oraz końca przemiany martenzytycznej. Większość pier-

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

do wartości mniejszych od

OZDZIAŁ

Strona

110

°C może uniemożliwić 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
wyższych 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
duża, że 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 też 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 może
wówczas nawet przekroczyć wartość uzyskaną bezpośrednio po
zahartowaniu.

Wpływ węgla i dodatków stopowych
na strukturę i właściwości żeliw

eliwo jest stopem żelaza 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 obniża temperaturę topnienia stopów żelaza, dlatego żeliwa mo-
gą być łatwiej topione niż stal. śeliwa stanowią podstawowe stopy żela-
za szeroko stosowane w odlewnictwie i w zależności od składu chemicz-
nego dzielmy je na niestopowe i stopowe.

Natomiast w zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia
się żeliwa:

• 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 żeliw jest odzwierciedleniem barwy przełomu, który jest jasny i
metaliczny w żeliwie białym oraz szary w żeliwie szarym. Kolor szary
wiąże się z obecnością grafitu na przełomie.

śeliwa białe

Strukturę żeliwa białego stanowi ledeburyt (mieszanina eutektyczna
austenitu i Fe

(I)

). Udział węglików żelaza powoduje, że żeliwa białe są

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

eliwo szare. Strukturę taką można uzyskać przez zwiększenie prędkości

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

śeliwa z wydzieleniami grafitu

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

• Si i P ułatwiają grafityzację

• Mn i S przeciwdziałają grafityzacji.

Ponadto fosfor zwiększa rzadkopłynność poprawiając właściwości od-
lewnicze żeliw i tworzy odrębny składnik strukturalny, potrójną
eutektykę fosforową zwaną steadytem, która powiększa twardość i od-
porność żeliwa 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 zależna jest też 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.

OZDZIAŁ

Strona

112

Powstający grafit może mieć różnorodną postać: płatków lub wydzieleń
sferycznych, co w zasadniczy sposób decyduje o właściwościach żeliwa.
ś

eliwa, w których węgiel występuje w postaci grafitu dzielimy ze wzglę-

du na ich kształt na żeliwa: szare, sferoidalne i ciągliwe.

Rysunek 7.5. Klasyfikacja i przykładowe schematy struktur żeliw

z wydzieleniami grafitu

Grafit posiada bardzo małą wytrzymałość oraz niski moduł sprężystości
(20 MPa), a jego wydzielenia można traktować jak nieciągłości w meta-
licznej osnowie, co wpływa niekorzystnie na właściwości wytrzyma-
łościowych żeliw.

Wpływ na właściwości żeliwa mają zarówno rodzaj metalicznej osnowy,
jaki i postać oraz stopień dyspersji grafitu. Im większy jest udział grafitu
i im grubsze są płatki, tym niższa jest wytrzymałość i ciągliwość żeliwa.

PŁYW WĘGLA I DODATKÓW STOPOWYCH NA STRUKTURĘ I WŁAŚCIWOŚCI

STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

113

Z kolei zwiększenie w strukturze żeliwa 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 różnej wielkości.

eliwa szare charakteryzują się:

• niską wytrzymałością na rozciąganie (R

= 150

÷250 MPa)

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

• niska plastycznością (A = 0,5÷1%)

• niską wytrzymałością zmęczeniową i małą wrażliwością na

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

• zdolnością do tłumienia drgań – niski moduł sprężystości

grafitu,

• bardzo dobrymi właściwościami ślizgowymi – grafit na po-

wierzchniach współpracujących działa jak „smar” zwiększa-
jąc odporność na zużycie; 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 żeliwa szarego można uzyskać przez
zwiększenie udziału perlitu w osnowie oraz rozdrobnienie wydzieleń
grafitu. Odmianą żeliw szarych są żeliwa modyfikowane, zawierające
bardzo drobny grafit płatkowy, dzięki czemu ich wytrzymałość jest
znacznie wyższa niż żeliw zwykłych. Rozdrobnienie grafitu uzyskuje się
przez dodanie do żeliwa przed odlaniem tzw. modyfikatora, najczęściej
w postaci sproszkowanego żelazokrzemu. Najkorzystniejsze właściwości
wytrzymałościowe ma żeliwo szare modyfikowane o osnowie perlitycz-
nej (R

= 350

÷ 450 MPa)

śeliwa sferoidalne

eliwami sferoidalnymi nazywa się żeliwa, w których grafit powstaje

podczas krzepnięcia w postaci kulkowej. Uzyskuje się je w wyniku
procesu modyfikowania żeliwa 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 żeliwa,

• wytrzymałości na obciążenia dynamiczne,

• ciągliwości.

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

Struktura osnowy żeliw sferoidalnych, podobnie jak żeliw szarych zwyk-
łych może być ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna. Po-
przez zastosowanie obróbki cieplnej można uzyskać też 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 żeliwa 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 (niż żeliwa szare) skłonnością do koncentracji na-

prężeń oraz wysoką udarnością,

• dobrą szczelnością,

• dobrą lejnością,

• dużą skłonnością do powstawania naprężeń własnych i jam

skurczowych w odlewach.

śeliwo ciągliwe jest żeliwem otrzymywanym w wyniku długotrwałego
wyżarzania grafityzującego żeliwa białego. W czasie tego procesu ce-
mentyt ulega rozkładowi na grafit i ferryt. Grafit żarzenia wydziela się
w osnowie w postaci zwartych kłaczkowatych skupień.

Stosowane są dwie metody wytwarzania:

• wyżarzanie odlewów w atmosferze obojętnej – prowadzi do

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

• wyżarzanie w atmosferze utleniającej – prowadzi do rozkła-

du cementytu oraz do odwęglenia żeliwa.

W zależności od sposobu wyżarzania oraz parametrów procesu można
uzyskać:

śeliwo ciągliwe czarne o strukturze osnowy perlitycznej lub ferrytycz-
no – perlitycznej z wydzieleniami węgla żarzenia. Grafityzowanie umoż-
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 obciążone.

Właściwości żeliwa ciągliwego czarnego:

• dobre właściwości wytrzymałościowe R

= 300

÷800 MPa

i dobre właściwości plastyczne A = 1÷10%,

• odporność na obciążenia dynamiczne,

OZDZIAŁ

Strona

116

• dobra skrawalność,

• jednorodna struktura i twardość w całym przekroju odlewu,

• dobra szczelność.

śeliwo ciągliwe białe (odwęglone). Struktura żeliwa 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 żarzenia. Dlatego odwęgla-
niu nie poddaje się odlewów o grubości powyżej 12 mm. Z powodu jas-
nej barwy przełomu całkowicie odwęglonego, żeliwo nazywane jest żeli-
wem ciągliwym białym. Charakteryzuje się dobrą spawalnością, oraz
gorszą obrabialnością niż żeliwa ciągliwe czarne, dlatego stosuje się je
na cienkościenne odlewy niezbyt mocno obciążone i niewymagające
większej obróbki skrawaniem części maszyn, pojazdów mechanicznych,
artykułów gospodarstwa domowego.

Własności żeliwa ciągliwego białego:

• dobre właściwości wytrzymałościowe R

= 350÷550 MPa

i dobre właściwości plastyczne A = 5

÷10%,

• odporność na obciążenia dynamiczne,

• dobra szczelność,

• odporność na działanie czynników korozyjnych,

• dobra spawalność,

• mała odporność na ścieranie.

śeliwa stopowe

eliwami stopowymi nazywa się żeliwa 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 użytkowych że-
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:
ż

aroodporne i żarowytrzymałe, odporne na korozję oraz odporne na

cieranie.

Obróbka cieplna
stopów układu Fe-C

W tym rozdziale:

Obróbka cieplna

Wyżarzanie

Ulepszanie cieplne

Utwardzanie wydzieleniowe

OZDZIAŁ

Strona

118

Obróbka cieplna

Obróbką cieplną nazywamy zespół zabiegów cieplnych prowadzonych
w celu wywołania w stanie stałym zmian struktury stali lub innych sto-
pów, zapewniających uzyskanie odpowiednich właściwości mechanicz-
nych.

Ze względu na czynniki kształtujące strukturę wyróżniamy obróbkę
cieplną zwykłą, cieplno – plastyczną oraz cieplno – chemiczną.

Parametrami obróbki cieplnej wpływającymi na przebieg przemian fazo-
wych są:

• temperatura wygrzewania,

• czas wygrzewania,

• szybkość nagrzewania i chłodzenia.

W zależności od celu obróbki cieplnej zwykłej dzieli się ją na różne
rodzaje uwarunkowane szybkością nagrzewania, temperaturą i czasem
wygrzewania oraz szybkością chłodzenia.

Rysunek 8.1. Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej

BRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

119

Wyżarzanie

Wyżarzanie polega na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wy-
grzaniu w tej temperaturze, a następnie studzeniu. Celem obróbki jest
uzyskanie struktur zbliżonych do stanu równowagi. Temperatura wy-
grzewania w tej obróbce może leżeć powyżej lub poniżej temperatury
przemiany eutektoidalnej (A

na rysunku 8.2 ).

Szybkość chłodzenia materiału po wygrzewaniu w temperaturze powy-
ż

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 wyżarzania stali

Wygrzewanie stali w temperaturach wyższych od A

prowadzi do prze-

miany perlitu w austenit:

OZDZIAŁ

Strona

120

(α + Fe

C)γ

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

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

RSC zawierający 0,8% wag. C).

Celem austenityzowania jest zwykle otrzymanie możliwie jednorodnego
oraz drobnoziarnistego austenitu, co ma wpływ na przebieg przemian
podczas chłodzenia. Dlatego przy wygrzewaniu stali do temperatury
austenityzacji należy ściśle przestrzegać określonych temperatur i cza-
sów wygrzewania. Wygrzewanie w wyższych temperaturach jest nieko-
rzystne ze względu na rozrost ziarn austenitu, których wielkość jest tym
większa im wyższa jest temperatura austenityzacji i dłuższy 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
dąży się do zachowania drobnego ziarna austenitu, aby zapewnić drob-
noziarnistą strukturę stali po ochłodzeniu. Struktura drobnoziarnista
w porównaniu do struktury gruboziarnistej zapewnia wyższe własności
mechaniczne, szczególnie udarność i granicę plastyczności. Grube ziarno
poprawia natomiast skrawalność i zwiększa hartowność.

Wyżarzanie z przemianą fazowej

Wyżarzanie 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 niższej 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 umożliwiająca rozdrobnienie ziarna. Efektem ujedno-
rodnienia jest niewielkie obniżenie właściwości wytrzymałościowych i
polepszenie właściwości plastycznych.

Wyżarzania 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 umożliwiającej powstanie struktury austenitycz-
nej (30

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

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

Wyżarzanie zupełne różni 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

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

Wyżarzanie 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 zbliżonej do temperatury przemiany eutektoidalnej (A

)

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

Wyżarzanie bez przemiany fazowej

Wyżarzanie 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 wyższej od temperatury początku
rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu.

Wyżarzanie odprężające. Celem tego wyżarzania jest usunięcie naprę-
ż

eń własnych bez wywołania zmian struktury i właściwości. Wyżarzanie

odprężające 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.

Wyżarzanie stabilizujące ma na celu zapewnienie niezmienności wy-
miarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Przeprowadza się
w temperaturze do 150°C Najczęściej jest stosowane do narzędzi, spraw-
dzianów, odlewów żeliwnych, itp. Jeżeli wyżarzanie 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
umożliwiającym otrzymanie metastabilnej struktury martenzytycznej.

OZDZIAŁ

Strona

122

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

÷50 °C powyżej 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 powyżej
temperatury wyznaczonej przez linię (SE), ponieważ rozpuszczenie ce-
mentytu w stalach stopowych prowadziłoby do obniżenia temperatury
hartowania, a tym samym zwiększenia ilości austenitu szczątkowego.
Dodatkowo hartowanie od niższych temperatur zmniejsza naprężania
własne i skłonność do pękania hartowanych elementów oraz wymaga
mniejszego zużycia 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 dużą kruchością.

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

• utwardzalność – podatność stali do hartowania, wyrażona

najwyższą twardością (na powierzchni hartowanego wyro-
by), jaką można 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 niż 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, jeżeli są rozpuszczone w austeni-
cie, zwiększają hartowność poprzez zmniejszenie krytycznej
prędkość chłodzenia,

• jednorodności austenitu – im większa jednorodność auste-

nitu tym hartowność stali jest większa, ponieważ 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 można podzielić na:

• zwykłe – polegające na nagrzaniu przedmiotu hartowanego

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

• stopniowe – polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego

do temperatury astenityzacji, a następnie chłodzeniu w ką-
pieli, o temperaturze nieco wyższej 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 naprężenia własne po hartowa-
niu,

• izotermiczne – przeprowadza się tak samo jak hartowanie

stopniowe zwiększając jedynie czas wytrzymania w kąpieli
aż 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 naprężeń 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 niższej od
temperatury przemiany eutektoidalnej i wytrzymaniu w tej temperaturze
przez czas konieczny do zajścia przemiany. Prowadzi to do zmniejszenia
lub usunięcia naprężeń 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 naprężeń 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 łożyskowych.

Odpuszczanie średnie przeprowadza się w zakresie temperatur od
250

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

wysokiej granicy sprężystości oraz dużej 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 sprężynowych oraz konstrukcyjnych.

BRÓBKA CIEPLNA STOPÓW UKŁADU

Fe-C

Strona

125

Odpuszczanie wysokie przeprowadza się w temperaturach wyższych od
500°C lecz niższych od A

. Celem zabiegu jest otrzymania najbardziej

korzystnych właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, tj. dużej
udarności i wydłużenia 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 wiąże się zjawisko spadku odporności na pękanie
nazywane kruchością odpuszczania. Udarność stali po odpuszczaniu
zależna 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, niezależnie od ich składu che-
micznego i szybkości chłodzenia po odpuszczaniu. Jest kruchością nie-
odwracalną, dlatego należy unikać odpuszczania w tej temperaturze.

Kruchość odpuszczania drugiego rodzaju jest kruchością odwracalną, za-
chodzi powyżej 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 już omówiono w rozdziale czwartym,
polega na wytworzeniu w ziarnach drobnych wydzieleń o odmiennej
strukturze krystalograficznej niż osnowa, które blokują ruch dyslokacji i
tym samym zwiększają właściwości wytrzymałościowe stopu. Utwar-
dzenie wydzieleniowe składa się z dwóch etapów: przesycania i starze-
nia. Można go stosować do stali austenitycznych oraz stopów metali nie-
ż

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

tury malejącą rozpuszczalność składnika stopowego.

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

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 poniżej 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). Jeżeli 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 można uzyskać wzrost wytrzymałości
bez jednoczesnego spadku plastyczności.

W zależności od temperatury, w jakiej odkształcamy plastycznie stop
obróbkę cieplno – plastyczną można 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 wyższej od temperatury rekrystalizacji)
i oziębieniu w celu zahartowania stali. Mechanizm obróbka niskotempe-
raturowa jest taki sam jak wysokotemperaturowej z ta różnicą, że ob-
róbka plastyczna odbywa się w temperaturze niższej od temperatury
rekrystalizacji.

OZDZIAŁ

Strona

128

Technologie obróbki cieplno – plastycznej umożliwiają zwiększenie
o 30% wytrzymałości wyrobów w stosunku do konwencjonalnej obróbki
cieplnej.

Obróbka cieplno – chemiczna jest zabiegiem umożliwiającym w czasie
wygrzewania, połączonego z chemicznym oddziaływaniem środowiska,
zmianę składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej stopu,
a dzięki temu zmianę jej właściwości. W praktyce polega ona na dyfu-
zyjnym wzbogaceniu powierzchniowej warstwy stopu w określony pier-
wiastek, np. C, N, Al, Cr, Si lub grupę pierwiastków, np. C i N, N i S,
N i O. Celem obroki jest wytworzenie warstwy powierzchniowej
o zwiększonej odporności na ścieranie oraz o zwiększonej odporności
korozyjnej i erozyjnej.

Kształtowanie
właściwości warstw
powierzchniowych
tworzyw metalowych

W tym rozdziale:

Obróbki mechaniczne warstw powierzchniowych

Obróbki cieplne warstw powierzchniowych

Obróbki chemiczne i elektrochemiczne warstw
powierzchniowych

Metody fizyczne obróbki warstw powierzchniowych

Obróbki cieplno – chemiczne
warstw powierzchniowych

OZDZIAŁ

Strona

130

Inżynieria 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 naprężeń 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. Należy podkreślić, że 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-
wyższają odporność materiału na zewnętrzne obciążenia.

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 różnią się
od reszty materiału, czyli rdzenia.

Natomiast powłoka jest warstwą materiału wytworzoną w sposób natu-
ralny lub sztuczny, bądź też nałożoną 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 – przeważający kierunek nierów-

ności, zależny od sposobów obróbki,

• wady struktury geometrycznej – odstępstwa w rozmiarach

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

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

• grubość warstwy wierzchniej – umowna głębokość zalega-

nia zmian (np: mikrotwardości, naprężeń własnych) jednej
lub też 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.

• naprężenia własne warstwy wierzchniej – naprężenia, za-

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

SZTAŁTOWANIE WŁAŚCIWOŚCI WARSTW POWIERZCHNIOWYCH TWORZYW METALOWYCH

Strona

133

• oraz przez szereg właściwości:

• fizykochemicznych, do których możemy zaliczyć między

innymi: twardość, kruchość, absorpcję, adsorpcję, rozkład
składu chemicznego, itp.

• eksploatacyjnych takich jak: właściwości wytrzymałościo-

we, trybologiczne oraz antykorozyjne.

Rysunek 9.3. Metoda wyznaczania granicy wewnętrznej warstwy

wierzchniej wg [14]

W wyniku stosowania odpowiednich technologii możliwe jest kształto-
wanie następujących właściwości użytkowych warstw powierzchnio-
wych:

• wytrzymałości,

• właściwości trybologicznych,

• odporności na korozję,

• cech ozdobnych.

OZDZIAŁ

Strona

134

Technologie wytwarzania

Istnieje bardzo wiele metod kształtowania warstw wierzchnich. W zależ-
ności od rodzaju zjawiska zachodzącego w trakcie ich kształtowania
metody te można 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 różne i zależą
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 różnego 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 dużymi wartościami naprężeń własnych oraz granicy plastyczności,
a grubość ich może dochodzić do kilku milimetrów. Nagniatanie stoso-
wane jest najczęściej do stopów żelaza i innych metali głównie w celu
poprawy wytrzymałości zmęczeniowej oraz do obniżenia 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 umożliwiających 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-
łożem mechanicznie siłami adhezji, kohezji (w pewnych przypadkach
wiązaniami metalicznymi), bez nadtopienia metalu podłoża. Aby popra-
wić wytrzymałość połączenia stosowane jest nakładanie warstw spajają-
cych, dzięki którym między podłożem i powłoka tworzą się wiązania
międzyatomowe.

W zależności od użytej technologii natryskiwania i urządzenia, nałożone
powłoki mogą mieć grubość od 0,01 do 0,5 mm.

Metodą natryskiwania można nakładać różne 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 różnych 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 podłoże może 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 różnych metali trwale
połączonych. Celem wytwarzania platerów jest uzyskanie kombinacji
żą

danych właściwości głównie zwiększenia odporności na korozję, rza-

dziej do poprawy właściwości tarciowych, lub specjalnych właściwości
elektrycznych, cieplnych bądź też efektów estetycznych uzyskiwanych
przy niższych kosztach niż 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, zależnie od rodzaju
i przeznaczenia może wahać się od 1,5 do 15% grubości podłoża, 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-
łoża pod działaniem energii czynnika zewnętrznego (strumień elektro-
nów, strumień fotonów lub detonacji materiału wybuchowego).

Obróbka plastyczna na gorąco – kucie i walcowanie w temperaturze
wyższej niż 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 wyżarzanie 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 zbliżonych do podłoża, w wypadku stosowania jej w celu
regeneracji, lub o właściwościach odmiennych od podłoża, w wypadku
zastosowania jej w celu podwyższenia trwałości. Napawanie przeprowa-
dza się technikami spawalniczymi, głównie łukowymi i płomieniowymi.

Stapianie (wypalanie) – przeprowadzanie naniesionej na podłoże meta-
lowe („na sucho” lub „na mokro”), w postaci zawiesiny sproszkowanej
masy emalierskiej do stanu zwartej, silnie przylegającej do podłoża,
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. Rozróżnia 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 podłoża 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 służą do wytwarzania na powierzchniach metali lub
niemetali powłoki związanej z podłożem adhezyjnie, a w mniejszym
stopniu dyfuzyjnie, bądź też służą do wytworzenia warstwy wierzchniej,
wykorzystując różne zjawiska fizyczne, przebiegające pod obniżonym
ciśnieniem.

Zestalanie fizyczne (schnięcie) polega na przejściu, naniesionego w do-
wolny sposób na podłoże, 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 niższym od atmosfe-
rycznego (10

÷10

-5

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

li wykorzystuje się różne 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) podłożu.

Połączenie naniesionej powłoki i podłoża ma charakter adhezyjny i zale-
ż

y od czystości podłoża, dlatego też stosuje się chemiczne i jonowe me-

tody oczyszczania powierzchni. Głębokość implantacji wynosi od
0,01 mm do 1 mm. Technika ta pozwala stworzyć bardzo zróżnicowane
proste i złożone warstwy, przy użyciu najrozmaitszych pierwiastków
i związków, które charakteryzują się dużą twardością i odpornością na
zużycie przez tarcie.

Rodzaje powłok

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

złożone:

• 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 różnią 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 podłoże (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 użytkowych.

Dyfuzyjną zmianę składu chemicznego w metalach i ich stopach umożli-
wia wędrówka atomów, zachodząca dzięki istnieniu różnicy ich stężeń,
obecności przestrzeni między atomowych oraz błędów ułożenia atomów
w materiałach polikrystalicznych (wakansów, dyslokacji, jak również
granic ziaren).

Wyróżnia 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 należą do technik nowej generacji, do których
należą 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
stężenie 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 umożliwia otrzymanie po zahartowaniu
i odpuszczaniu twardości 52HRC. Grubość warstwy zależy 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,

• dążeniem 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 podwyższonej 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 niż w Fe

dlatego

nawęglanie stali prowadzi się w temperaturze (820

÷950°C) umożliwiają-

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 zależy od zawartości węgla),

• zwiększoną odpornością zmęczeniową,

• zwiększoną odpornością na zużycie 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 łożysk, 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 zużycie 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 żeliw –

azotowanie antykorozyjne.

W związku z tym, że azotowanie powoduje utwardzenie powierzchni bez
konieczności stosowania obróbki cieplnej oraz, że 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 aż 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 wiąże się z wytworzeniem na powierzchni fazy γ’(Fe4N), a stali
stopowych ok.1500HV na skutek utworzenia azotków pierwiastków
stopowych (AlN, CrN, MoN) o dużym 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 także 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 żeliw 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 rożnych materiałach. Celem obróbki jest uzys-
kanie zwiększonej odporności na zużycie ścierne oraz zwiększenie
odporności antykorozyjnej. Proces ten polega na wprowadzaniu do ko-
mory reakcyjnej, najczęściej gazowych substratów, gdzie na gorącym
podłożu 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 umożliwiają 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 pobliżu podłoża
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
różne 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
podłoża i najczęściej stosowane są jak warstwy antyścierne i antykoro-
zyjne. Wysokie temperatury procesu w zdecydowany sposób ograniczają
wykorzystanie tej metody. Dlatego też najczęściej stosowana jest do
obróbki węglików spiekanych oraz obróbki mało obciążanych części
maszyn, dla których bardzo istotna jest odporność na zużycie 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 należą 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. próżnia dynamiczna).
Różnica potencjałów między anodą i katodą wynosi 400÷1800 V w za-
leżności od składu chemicznego mieszaniny gazowej. W tych warunkach
jest utrzymywane anormalne wyładowanie jarzeniowe. Napięcie przyło-
ż

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 natężenia 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 może być powodowana przez
chemisorpcję, implantację i rozpylanie katodowe.

Azotowanie jarzeniowe w zależności od parametrów procesu i rodzaju
podłoża umożliwia uzyskanie warstw o różnym 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 żaroodporne
i żarowytrzymałe. 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.

Przemysłowe stopy
żelaza

W tym rozdziale:

Klasyfikacja stali

Oznakowanie stali

Przykładowe stale przemysłowe

OZDZIAŁ

Strona

148

10.1. Klasyfikacja stali

Klasyfikacji gatunków stali dokonuje się zgodnie z normą PN-EN
10020: 2003 według składu chemicznego i klas jakościowych.

STAL jest przerobionym plastycznie technicznym stopem żelaza z wę-
glem zawierającym masowo więcej żelaza niż jakiegokolwiek innego
pierwiastka, o zawartości węgla w zasadzie mniejszej niż 2% i zawiera-
jącym inne pierwiastki.

Rysunek 10.1. Klasyfikacja stali zgodnie z PN-EN 10020: 2003

Klasyfikacja według składu chemicznego opiera się na analizie wytopo-
wej podanej w normie wyrobu lub warunkach dostawy w zależności od
minimalnej zawartości podanej dla każdego pierwiastka bez względu na
sposób wytwarzania stali.

Stale zgodnie z tą klasyfikacją dzielimy na:

• stale niestopowe, w których zawartość pierwiastków stopo-

wych jest mniejsza od wartości granicznych podanych
w tabeli 10.1;

• stale odporne na korozję zawierające, co najmniej 10,5%

chromu i maksymalnie 1,2 % węgla;

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, każdy,

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 (każdy oprócz fosforu, siarki i azotu)

0,10

Jeżeli w normie wyrobu lub warunkach dostawy są określone jedynie
maksymalne zawartości pierwiastków według analizy wytopowej to do
klasyfikacji stali należy przyjąć wartość stanowiącą 70% maksymalnej
zawartości. Reguła ta nie dotyczy manganu.
*Jeżeli 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 niż 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 użytkowych.

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

Stale odporne na korozję

Klasyfikacja tych stali ze względu na zawartość niklu:

• o zawartości niklu < niż 2,5%,

• o zawartości niklu ł 2,5%.

Podział stali odpornych na korozję ze względu na właściwości:

• stale nierdzewne,

• stale żaroodporne,

• stale żarowytrzymałe.

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. Stężenie 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 różne: o szczególnych właściwościach fizycznych, stale

szybkotnące, stale łożyskowe,

• 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 zależności od stopnia odtleniania wyróżnia 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).

Każdy 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, że wskazują na głów-
ne cechy stali np. zastosowanie, właściwości mechaniczne, skład che-
miczny. Umożliwia to identyfikacje poszczególnych gatunków stali.
W przypadku oznaczenia stali w systemie cyfrowym każdy gatunek stali
ma nadany numer składający się z pięciu cyfr, który można 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, również dwucyfrowy, wyróżnia
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
ż

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.

OZDZIAŁ

Strona

154

Rysunek 10.2. Fragment cyfrowego systemu oznaczeń stali

(pierwsze 3 cyfry z pięciocyfrowego numeru) wg PN-EN 10027-2:1994

Numery stali ustala się tylko dla gatunków, które mają znaczenie handlo-
we.

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 żaroodporne

1.40

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

1.41

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

1.42

Miejsce zapasowe

1.43

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

1.44

Stal odporna na korozję o zawartości poniżej 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 żaroodporne

1.47

Stale żaroodporne o zawartości poniżej 2,5% Ni

1.48

Stale żaroodporne o zawartości powyżej 2,5% Ni

1.49

Materiały do pracy w podwyższonych temperaturach

Ustalanie znaków stali w systemie literowo cyfrowym wg

PN-EN 10027-1:1994

Rozróżnia 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 poniższego 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
sprężonego

Liczba równa nominalnej
wytrzymałości na rozciąganie
[MPa]

Stal na szyny lub
w postaci szyn

Liczna równa minimalnej
twardość Brinella HBW

Wyroby płaskie
o podwyższonej
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 sprężynową (np. C125S),

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

E – stal z wymaganym maksymalnym stężeniem siarki, R –
stal z wymaganym zakresem stężenia 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
każdego 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 najbliższej 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, gdyż 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 możliwie jak najlżejszych 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 przewężenie (Z) oraz udarność (K) w zakładanej

temperaturze pracy, również w temperaturach poniżej 0°C,

• jak najwyższe właściwości wytrzymałościowe (R

, R

) gwa-

rantujące obniżenie ciężaru 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 należą 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 dużych 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 zależna 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 żadnych ograniczeń.

Przyjmując dla stali niestopowych tylko dwa pierwsze składniki zależ-
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 stężenie 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%). Wyższe wymagania wytrzymałościowe można 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 podwyższonej 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 narażo-
ne na działanie korozji atmosferycznej.

Najwyższe 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 stężenie 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-
wyższonej wytrzymałości w stanie ulepszonym cieplnie (hartowane
bezpośrednio z temperatury końca obróbki plastycznej, a następnie
odpuszczane) wg PN-EN10025-6:2007

Max. stężenie 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

Obciążone części
konstrukcji.

S620QL

S890QL

Bardzo obciążone części
konstrukcji.

S960Q

S960QL

Najbardziej obciążone
części konstrukcji.

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

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

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

Wymagania stawiane stalom sprężynowym to:

• duża wartość granicy sprężystości (R

• duża wartość umownej granicy plastyczności (R

p0,2

• wysoki stosunek R

p0,2

oraz R

• duża wytrzymałość zmęczeniowa,

OZDZIAŁ

Strona

166

• pewna minimalna ciągliwość zapobiegająca pękaniu przy

przeciążeniu.

Wysoką granicę sprężystości (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 sprężyno-
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 obciążenia S – statyczne, D – dynamiczne,

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

Największe właściwości wytrzymałościowe uzyskują stale sprężynowe
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 należące 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 wydłużeniu (A) odpo-

wiednio równym 28

÷12 %.

Automatowe (PN-EN10087:2000) należą do grupy stali niestopowych
jakościowych i są klasyfikowane na podstawie składu chemicznego.
Charakteryzują się podwyższoną 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 nóż.

Stale automatowe dzielimy na:

• nie przeznaczone do obróbki cieplnej,

• do nawęglania,

• do ulepszania cieplnego.

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

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

Niestopowe do hartowania powierzchniowego oraz ulepszania cieplnego
(C22÷C60). Przeznaczone na średnio obciążone 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 dużym obciążeniom (wały, kor-
bowody, koła zębate, sworznie, drążki itp.)

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

• wysoką wytrzymałością (R

i R

• wysoką ciągliwością – duża 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 wydłużeniu (A) odpowiednio od 25÷11%,

a stale stopowe po hartowaniu i wysokim odpuszczaniu uzyskują
R

= 700÷1100 MPa przy wydłużeniu (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 można 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 naprężenia 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).

Zależnie 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 podwyższonych 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 zależy 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 niższych 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 noże 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, noże maszynowe, stemple do
bicia monet. Charakteryzują się dużą 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 narażone na działanie obciążeń dynamicznych, w celu
zwiększenia ciągliwości, poddawane są odpuszczaniu w tempera-
turze 250 – 450

C. Stale narzędziowe wykazują dużą 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 dużą 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 niż
0,6% węgla, ok. 4% Cr oraz co najmniej dwa spośród dodatkowych
składników stopowych, takich jak Mo, W, V o łącznym stężeniu więk-
szym niż 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 niż po hartowaniu i odpuszcza-
niu.

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

Średnie stężenie 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 dużą twardość i odporność
na ścieranie w temperaturze do 600

OZDZIAŁ

Strona

172

Stale odporne na korozję i żaroodporne

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 podłożem
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 poniżej
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. Używana głównie na silnie

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

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

Stale te charakteryzują się dużą 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 również o strukturze au-
stenitycznej. Stale austenityczne charakteryzują się najwyż-
szymi wskaźnikami odporności na korozję atmosferyczną,
w wodzie morskiej, roztworach alkalicznych, w produktach
ż

ywnościowych oraz w środowisku wielu kwasów (stąd na-

zwa kwasoodporne). Są używane na przedmioty gospodar-

RZEMYSŁOWE STOPY śELAZA

Strona

173

stwa domowego, aparaturę w przemyśle spożywczym, 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 sprężyny 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 naprężeniową oraz wyższymi właściwościami
wytrzymałościowymi w stosunku do stali austenitycznych.

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

Stale żaroodporne i żarowytrzymałe

śaroodporność – odporność materiału na korozję gazową (powietrze,
spaliny) w temperaturach wyższch niż 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 żaroodporność 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 żaroodporne są stalami niskowęglowymi C

≤ 0,25 i mogą podlegać

łączeniu przez spawanie. Ze względu na strukturę wyróżniane 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 nieobciążone 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 obciążone me-
chanicznie w temperaturach pracy od 850÷1150 °C.

śarowytrzymałość – odporność stopu na odkształcenia, z czym wiąże
się zdolność do wytrzymywania obciążeń mechanicznych w temperatu-
rze wyższej niż 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 także wolframu do 2%. Wysoka zawartość Cr i Ni pozwala

uzyskać strukturę austenityczną w normalnych warunkach. Molibden,
wolfram, wanad, kobalt, chrom, tytan i krzem, podwyższają temperaturę
topnienia i rekrystalizacji. śarowytrzymałość zwiększana jest również
poprzez zgniot i utwardzenie wydzieleniowe. Górna granica żaroodpor-
ności wynosi 800°C do 1200 °C, w zależności od składu stali.

Ze stali żaroodpornych i żarowytrzymałych wykonuje się elementy pie-
ców, kotłów parowych, wentylatory do gorących gazów, skrzynki do
nawęglania, komory spalania turbin gazowych oraz zawory tłokowych
silników spalinowych.

Stopy metali
nieżelaznych

W tym rozdziale:

Aluminium i jego stopy

Miedź i jej stopy

OZDZIAŁ

Strona

176

11.1. Aluminium i jego stopy

Aluminium jest metalem o niskiej gęstości 2,7 Mg/m

(prawie trzy razy

mniejsza niż żelaza), co kwalifikuje go do grupy metali lekkich. Krysta-
lizuje w sieci RSC i cechuje się dużą plastycznością. Niezwykle szybki
rozwój stopów aluminium nastąpił w latach dwudziestych XX wieku.
Podstawowe znaczenie miało zapotrzebowanie rozwijającego się prze-
mysłu lotniczego. Obecnie aluminium należy do metali o bardzo dużym
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 można przeprowadzać na zimno lub
na gorąco. Właściwości mechaniczne aluminium wyżarzonego i w posta-
ci zgniecionej podano w tabeli 11.1.

Tabela 11.1. Właściwości mechaniczne aluminium

Aluminium w stanie

wyżarzonym

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]

Wydłużenie

= 35

÷ 45 [%]

= 1,3

÷ 3 [%]

Moduł sprężystości

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 spożywczego, folii
kondensatorowych, przewody elektryczne zwłaszcza wysokiego napię-
cia, oraz na wyroby codziennego użytku jak, sztućce, naczynia itp.

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

177

Ważną cechą aluminium jest jego odporność korozyjna należy jednak
podkreślić, że 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 różne 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
niż 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 naprężeń niezbędnych do uruchomienia poślizgu dysloka-
cji, co z kolei wiąże się ze zwiększeniem granicy plastyczności umoc-
nionego stopu.

Do najczęściej stosowanych dodatków stopowych należą: Cu, Si, Mg,
Mn i Zn. Pierwiastki te tworzą roztwory stałe ograniczone, a niektóre
z nich również fazy międzymetaliczne, np.: Al

Cu, Mg

Si, które umożli-

wiają przeprowadzenie skutecznego umocnienia wydzieleniowego.

Klasyfikację stopów aluminium można 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-

OZDZIAŁ

Strona

178

które ze stopów nadają się zarówno do odlewania jak i obróbki plastycz-
nej.

Stopy do obróbki plastycznej zawierają zwykle do ok. 5% pierwiastków
stopowych, najczęściej Cu, Mg, Mn, rzadziej Si, Zn, Ni, Cr, Ti lub Li
(rysunek 11.1). Niektóre z tych stopów są stosowane w stanie zgniecio-
nym lub po wyżarzaniu rekrystalizującym, a część jest poddawana ob-
róbce cieplnej przesycania i starzenia polegającej na utwardzaniu wy-
dzieleniowym.

Do odlewniczych stopów zaliczamy stopy wieloskładnikowe o dużej
zawartości pierwiastków stopowych (5% – 25%) głównie Si, Cu, Mg,
Zn, Ni. Charakteryzują się dobrą lejnością i często małym skurczem
odlewniczym. W stanie lanym można także stosować stopy zawierające
mniej niż 5% pierwiastków stopowych.

Rysunek 11.1. Fragment typowego układu równowagi fazowej stopów Al

z zakresami stężenia pierwiastków stopowych dla stopów aluminium:

odlewniczych i do obróbki plastycznej wg [11]

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 (powyżej
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, iż
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
najważniejszych należą 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 stężeniu 12,6% Si oraz dwoma granicznymi roztworami stałymi
(

– Si w Al i

– Al w Si) o rozpuszczalności składników zmniejszającej

się wraz z obniżeniem temperatury, przy czym aluminium w temperatu-
rze eutektycznej rozpuszcza się w Si w bardzo niewielkim stężeniu
(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 użytkowych i mechanicznych odlewu
dodawane są pojedynczo lub w rożnych kombinacjach inne pierwiastki
stopowe takie jak:

• Cu, Mg – umożliwiające utwardzenie wydzieleniowe

i zwiększające wytrzymałość,

• Mn – zwiększający wytrzymałość i przeciwdziałający ujem-

nemu wpływowi żelaza,

• Ni (do 1%) – polepszający odporność na korozję,

• Ti – wpływający na zmniejszenie wielkości ziaren.

W zależności 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 również

różnych 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 duże 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 (także Sr lub niekiedy Sb), którego związki ułatwiają
zarodkowanie oraz tworząc „błonkę” utrudniają wzrost kryształów Si,
oraz przesuwają punkt eutektyczny w kierunku wyższych 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 żarowytrzymałość są stosowane na wysokoobciążone
tłoki silników spalinowych,

• siluminy podeutektyczne stosowane są na silnie obciążone

części dla przemysłu okrętowego i elektrycznego, pracujące-
go w podwyższonej 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 obciążone i narażone na uderzenia.

• Stopy Al – Cu zawierające do 5% Cu, które podlegają obrób-

ce cieplnej powodującej znaczący wzrost ich właściwości
wytrzymałościowych, stosowane są na bardzo obciążone
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 zależności 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). Można też 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 obniżeniem 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. Umożliwia to zarówno duża różnica promieni
atomowych Mg i Al jak i znaczne zmniejszenie rozpuszczalności Mg
w Al wraz z obniżeniem 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 wyżarzonym i po
obróbce plastycznej na zimno wg [13]

Stop

[MPa]

w stanie

wyżarzonym

[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:

• podwyższonymi 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 obciążone elementy kon-

strukcji okrętowych, nadbudówki statków, urządzenia przemysłu che-
micznego.

Stopy podwójne Al – Mn stosuje się na różnego rodzaju wsporniki, obu-
dowy, do wyrobu ram okiennych, drzwiowych i w stolarce otworowej.

W stopach Al – Mn – Mg można uzyskać Rm na poziomie 280 MPa,
przy wydłużeniu A = 8%. Powszechnym zastosowaniem tych stopów są
popularne puszki do różnego 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 złożoną z przesycania i starzenia, która została
przedstawiona w rozdziale 8. Do stopów, w których możliwy 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 złożonej
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-
niżaniem temperatury do wartości 0,1% w temperaturze pokojowej. Daje
to możliwości zwiększenia wytrzymałości tych stopów przez umocnienie
wydzieleniowe, które składa się z następujących etapów:

• nagrzanie stopu do temperatury 500÷580°C (powyżej 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 dużym 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 poniżej 2% Mg). Dodatkowo wytrzymałość
tych stopów można zwiększyć przez zastosowanie obróbki plastycznej
(gniot 3

÷5%) stosowanej po starzeniu naturalnym.

Stopy te charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzymałościo-
wymi, małą żaroodpornością i odpornością na korozję i stosowane są na
mocno obciążone elementy konstrukcji, w tym również 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 również
Fe, Ti, Zr, lub Ni. Charakteryzują się dobrymi właściwościami wytrzy-
małościowymi (tabela 11.5) oraz wysoką żaroodpornością i dobrą odpor-
nością na korozję. Stosowane są na elementy konstrukcji pracujące
w temperaturze ok. 350°C. Właściwości ich są jednak niższe od durali
i nie należy 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 obciążone elementy konstrukcji lotniczych oraz innych
ś

rodków transportu.

Ich wadą jest mała odporność korozyjna, a szczególnie duża skłonność
do korozji naprężeniowej.

Przykładem może być stop: AlZn6Mg2Cu. Pręt wyciskany, przesycony,
zgnieciony i starzony wykazuje: R

= 540 MPa, A = 7 %. Stosowany na

znacznie obciążone 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 żelaza. Obecnie jest jednym z droższych i deficy-
towych metali. Krystalizuje w sieci regularnej ściennie centrowanej
RSC. W stanie wyżarzonym, czysta miedź charakteryzuje się dużą plas-
tycznością oraz przeciętnymi właściwościami wytrzymałościowymi, któ-
re można podwyższyć 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

wyżarzonym

Miedź w stanie

zgniecionym

(60-80%)

Twardość

45 HBW

120 HBW

Wytrzymałość na
rozciąganie

=200÷250 [MPa]

= 400÷450 [MPa]

Granica plastyczności

= 35 [MPa]

----

Wydłużenie

= 30÷ 35 [%]

= 1÷ 2 [%]

Moduł sprężystości

E = 124000 [MPa]

Miedź cechuje również duża 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 różnych 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 stężenia, 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 dużą 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 wrażliwe na korozję naprężeniową.

TOPY METALI NIEśELAZNYCH

Strona

189

Przy małych zawartościach cyny (do 4 %) mają strukturę roztworu a (Sn
w Cu). Wraz ze zwiększeniem stężenia 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 obniżenie właściwości plastycznych. Mak-
symalne wydłużenie uzyskuje się przy zawartości ok. 4 % Sn. Natomiast
największą wytrzymałość na rozciąganie brązy cynowe osiągają przy ok.
8 % Sn. Powyżej tej zawartości cyny, wydłużenie 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
różne elementy przyrządów pomiarowych, precyzyjnych, siatki, sprężyny,
membrany itp. Zgniot powoduje silne umocnienie stopu, np. przy zawar-
tości 7% Sn zgniot 50% powiększa R

z 390 do 740 MPa. Zależnie od

stopnia zgniotu wyróżnia się stany stopu: wyżarzony, twardy i sprężysty.
W celu uplastycznienia materiału stosowane jest międzyoperacyjne
wyżarzanie rekrystalizujące, które może być również końcowym etapem
procesu kształtowania wyrobu.

Brązy zawierające powyżej 8% Sn (zwykle ok. 10%) stosowane są na
odlewy części maszyn silnie obciążonych 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 łożyskowe 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 użytkowych (np.
odporność na korozję, wytrzymałość, plastyczność oraz ciężar właściwy)
jest wyższa. Właściwości mechaniczne brązów aluminiowych zależą 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 można polepszyć wpro-
wadzając do nich kolejne dodatki takie jak, Fe, Mn i Ni co daje możli-
wość zwiększenia ich właściwości wytrzymałościowych przez ulepsza-
nie cieplne. Można je przerabiać plastycznie na zimno i gorąco.

Znajdują zastosowanie w przemyśle maszynowym, okrętowy i chemicz-
nym do produkcji:

• panewek łożysk ślizgowych,

• kół zębatych,

• gniazd zaworów,

• elementów konstrukcji stosowanych w przemyśle chemicz-

nym,

• elementów pracujących w wodzie morskiej, w tym także

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 obniżają cenę oraz poprawiają ich własności ).
Stopy te są przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno i gorąco.

Ten rodzaj brązów cechują:

• najwyższe 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 sprężyn amortyzatorów lotni-
czych, niemagnetycznych elementów aparatury precyzyjnej, niektórych
łożysk ślizgowych, elementów pomp, szczotek silników elektrycznych
i przewodów trakcji elektrycznej oraz narzędzi i elementów maszyn do
pracy w pomieszczeniach zagrożonych 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,

• możliwością wytwarzania stopów Cu – Zn o szerokim spek-

trum właściwości,

OZDZIAŁ

Strona

192

• możliwością 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 stężeniu

od 2 do 39% Zn,

• dwufazowe o strukturze mieszaniny

(roztwór na bazie

fazy CuZn) i stężeniu 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, iż stopy te są plastyczne dalszy wzrost wytrzymałości
można osiągnąć przez obróbkę plastyczną na zimno. W wyniku zastoso-
wania obróbki plastycznej na zimno i wyżarzania rekrystalizującego
uzyskuje się mosiądze jednofazowe o szerokim spektrum właściwości
wytrzymałościowych, które określane są odpowiednimi stanami: wyża-
rzonym, półtwardym, twardym i sprężystym. Duża plastyczność, umożli-
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. Wiąże się to z obecnością
fazy

‘ w stopach dwufazowych i dlatego można je obrabiać plastycznie

wyłącznie na gorąco w temperaturze, w której mają strukturę jednofazo-
wą.

Mosiądze do przeróbki plastycznej w zależności od zawartości Zn stoso-
wane są na:

• 4% Zn – rurki chłodnic, łuski amunicji małokalibrowej,

• 10% Zn – blachy do platerowania

• 15÷20% Zn – wyroby artystyczne, wężownice, 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 droższe 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

sprężystym mosiądz niklowy (CuZn29Ni6) używany 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 podłoża 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
dużą 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 podwyższają 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 również na duże odlewy
słabo obciążone statycznie.

Miedzionikle

Miedzionikle to stopy Cu – Ni, w których zawartość niklu może sięgać
nawet 40%. Zawierają również do 1% Si i do 2%: Al, Fe, Mn.

Charakteryzują się:

• dobrą wytrzymałością (R

= 400

÷600 MPa, A

= 15

÷30%),

• żaroodpornością,

• odpornością na korozję,

• dobrymi właściwościami oporowymi.

Miedzionikle dostarczane są jako wyroby po obróbce plastycznej w po-
staci blach, drutów, prętów, taśm i rur. Można 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.

Tworzywa ceramiczne

W tym rozdziale:

Klasyfikacja tworzyw ceramicznych

Wytwarzanie tworzyw ceramicznych

Mikrostruktura tworzyw ceramicznych

Właściwości tworzyw ceramicznych

Przykładowe gatunki ceramiki specjalnej

OZDZIAŁ

Strona

196

Klasyfikacja tworzyw ceramicznych

Materiały ceramiczne to nieorganiczne i niemetaliczne ciała stałe, które
wg [13] można 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, inżynierska) jest zróżnicowaną grupą
materiałów ceramicznych, które przynajmniej jedną ze swoich cech mają
na tyle atrakcyjną, że 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 przeważającego 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, wyróżnia 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 dążą do jak najgęstszego ułożenia w przestrzeni
tak, aby jony o przeciwnych ładunkach znajdowały się jak najbliżej
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.

OZDZIAŁ

Strona

198

Rysunek 12.3. Komórka elementarna a) MgO, b) Al

, c) położenie luk

oktaedrycznych i teraedrycznych w sieci regularnej ściennie centrowanej

W ceramikach kowalencyjnych dominuje wiązanie kowalencyjne. Są to
czyste pierwiastki: diament, grafit, krzem oraz związki dwóch niemetali,
takie jak bardzo twarde ceramiki konstrukcyjne SiC i Si

o strukturze

zbliżonej do struktury diametu. Wykonuje się z nich elementy odporne
na ścieranie i wysoką temperaturę, na przykład części silników spa-
linowych oraz panewki łożysk pracujących w wysokich temperaturach.

Rysunek 12.4. Komórka elementarna a) diamentu, b) SiC, c) grafitu

WORZYWA CERAMICZNE

Strona

199

Ceramika znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach gospodarki, np.
w budownictwie, elektronice, hutnictwie a także, jako materiały kon-
strukcyjne. Wyroby ceramiczne bardzo często stosowane są w miejscach
narażonych 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,
użytkowa.

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
wiążące.

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,
łożyska,
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, podłoża
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 inżyniera mechanika najważniejsza jest ceramika
konstrukcyjna przeznaczona na elementy pracujące pod obciążeniem
mechanicznym, dlatego też 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 można przedstawić jak
na rysunku 12.5.

WORZYWA CERAMICZNE

Strona

201

Rysunek 12.5: Uproszczony schemat wytwarzania ceramiki

1. Wytwarzanie surowca w postaci proszku

Materiałem wejściowym do produkcji ceramiki konstrukcyjnej są synte-
tyczne proszki tlenków, azotków i węglików o wielkości ziarna, mikro
i nanometrycznych. Istnieje szereg metod wytwarzania proszków cera-
micznych polegających na ich syntezie w fazie stałej (np. wysokoener-
getyczne rozdrabnianie materiałów), gazowej (np. osadzanie chemiczne
z fazy gazowej) lub ciekłej (np. synteza hydrotermalna). Poszczególne
materiały można otrzymywać różnymi metodami. Zastosowana metoda
syntezy wpływa na mechaniczne, fizyczne i chemiczne właściwości pro-
dukowanego materiału. Proszki wytworzone z tego samego surowca mo-
gą znacznie różnić się właściwościami w zależności od zastosowanej
metody syntezy. Bardzo ważne jest, aby proszki przeznaczone do spieka-
nia charakteryzowały się duża dyspersją, ponieważ ich energia powierz-
chniowa stanowi siłę napędową późniejszego procesu spiekania. Naj-
częściej stosuje się proszki o wielkości ziarna od 0,5

÷1 µm.

Dodatkowo powinny one charakteryzować się:

• wysoką czystością,

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,

• możliwości 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 ważniejszych 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 zależności od rodzaju produktu oraz konsys-
tencji mas ceramicznych stosuje się różne 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 podwyższonej 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 można 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 żelowego. Do koloidalnej zawiesiny proszku ceramicznego w wo-
dzie, dodaje się roztworu reaktywnego monomeru organicznego i inicja-
tora polimeryzacji. Po napełnieniu formy zawiesiną następuje jej żelo-
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 zależna jest od tempe-
ratury.

Jak już 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 zależności 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 użyteczność 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 też perforowania. Do obróbki ceramiki stosowana jest obróbka me-
chaniczna (skrawanie, lub ścieranie), laserowa, elektrochemiczna i che-
miczna.

Łączenie ceramiki z innymi materiałami można realizować przez:

• klejenie,

• połączenia szkłami

• lutowanie,

• zgrzewanie dyfuzyjne,

• mocowanie za pomocą śrub,

• połączenia gwintowe.

WORZYWA CERAMICZNE

Strona

205

W przypadku tworzyw ceramicznych należy unikać połączeń prowadzą-
cych do koncentracji naprężeń (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 dużym 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-
nieważ charakteryzują się pewną, zależna 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 zależne są od:

• rodzaju wiązań międzyatomowych (jonowe, kowalencyjne),

• przestrzennego ułożenia 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 umożliwia 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 dużej 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 sprężystości istoty wpływ wywiera mikrostruktura
ceramiki, którą zakładając pewne uproszczenia możemy rozpatrzeć, jako
materiał dwufazowy składający się z jednofazowego tworzywa cera-
micznego (E

, V

) oraz porów powietrza (E

, V

). Korzystając z reguły

mieszanin można określić, jaki wpływ na wartość modułu Younga
wywierają pory powietrza zawarte w strukturze ceramiki.

E = E1V1 + E2V2 ponieważ E2=0 to E = E1V1

gdzie: E

oraz E

– moduły sprężystości fazy pierwszej i drugiej (pory),

i V

– udział objętościowy każdej fazy.

Pory powietrza i mikropęknięcia powstałe w trakcie procesu technolo-
gicznego wytwarzania ceramik tworzą w strukturze materiału nieciągłoś-
ci, które powodują koncentrację naprężeń w sieci krystalicznej.

Rysunek 12.8. Koncentracja naprężeń u wierzchołka pęknięcia

OZDZIAŁ

Strona

208

Na rysunku 12.8 przedstawiono sytuację, w której przenoszone jest na-
prężenie wzdłuż przerwanych wiązań atomowych (pory, mikropęk-
nięcia). W związku z tym, że przenoszenie obciążenia przez rozerwanie
wiązania jest niemożliwe, musi się ono odbyć poprzez atomy położone
na wierzchołku pęknięcia, gdzie w konsekwencji następuje koncentracja
naprężeń.

Tylko w dużej odległości od powierzchni pęknięcia naprężenia w mater-
iale są równe naprężeniom zewnętrznym.

Lok

Gdzie: a – długość pęknięcia,

r – promień krzywizny wierzchołka pęknięcia.

Naprężenia lokalne (

Lok

) w wierzchołku mogą osiągnąć wielkość równą

teoretycznej wytrzymałości wiązania przy niezbyt dużych naprężeniach
zewnętrznych (

). Może, więc wystąpić sytuacja, że pęknięcia

istniejące w materiale poddawanym obciążeniu, będą się rozwijać przy
naprężeniu zewnętrznym mniejszym od teoretycznej wytrzymałości na
rozciąganie, czyli wskutek koncentracji naprężeń nastąpi propagacja
pęknięcia i zniszczenie materiału.

Koncentracja naprężeń 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 sprężystego pochłoniętej przez materiał przy propagacji pęknięcia.
Odporność materiałów plastycznych na nagłe pękania związana jest
z możliwością odkształcenia plastycznego i tym samym relaksacji kon-
centracji lokalnych naprężeń. Materiały kruche mają możliwość od-
kształcenia plastycznego w ograniczonym zakresie i dlatego mogą przy-
jąć znacznie mniej energii niż materiały plastyczne, co prowadzi do pro-
pagacji pęknięcia przy znacznie niższych naprężeniach.

Z przedstawionego powyżej równania wynika, że wartość

Lok

wzrasta

ze zmniejszeniem promienia krzywizny poru. Z tego powodu pory o ost-
rych zakończeniach powodują znacznie większą koncentracje naprężeń
niż pory o sferycznych kształtach. Uwzględniając koncentrację naprężeń
na wierzchołkach nieciągłości, otrzymujemy równanie na wartość moduł
sprężystości E:

E = kE

WORZYWA CERAMICZNE

Strona

209

gdzie: k – współczynnik odzwierciedlający koncentrację naprężeń równy
σ

/σ

max

Na rysunku 12.9 przedstawiono zmianę modułu Younga w funkcji obję-
tości porów oraz wpływ geometrii porów na wartość modułu spręży-
stości.

Rysunek 12.9. Zmiana modułu względnego w funkcji udziału

objętościowego porów wg [10]

OZDZIAŁ

Strona

210

Polimery

W tym rozdziale:

Klasyfikacja polimerów

Budowa makrocząsteczek i struktura polimerów
oraz ich wpływ na właściwości

Mechanizm odkształcenia polimerów

Charakterystyka elastomerów i plastomerów

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 dużej odporności chemicznej,

• izolacyjnych właściwości cieplnych i elektrycznych,

• małej gęstości, a przez to korzystnego stosunku wytrzyma-

łości mechanicznej do gęstości,

• możliwość 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 obciążeniem (pełzanie) nawet w temperaturze
pokojowej oraz podatność na degradację pod wpływem promieni UV.

Rysunek 13.1. Rozwój światowej produkcji materiałów polimerowych

wg [11]

OLIMERY

Strona

213

Klasyfikacja polimerów

W klasyfikacji polimerów brane są pod uwagę bardzo różne kryteria. Ze
względu na zachowanie pod wpływem obciążeń polimery dzielimy na
plastomery i elastomery.

Rysunek 13.2. Klasyfikacja polimerów

Ze względu na pochodzenie polimery klasyfikowane są jako:

• polimery naturalne wytwarzane przez organizmy żywe (ce-

luloza, białka, kwasy nukleinowe, kauczuk naturalny),

• polimery modyfikowane, polimery naturalne, które zostały

sztucznie zmodyfikowane chemicznie,

• polimery syntetyczne wytwarzane na drodze syntezy che-

micznej.

Natomiast ze względu na skład polimery dzielimy na:

• homopolimery – makrocząsteczki polimeru zbudowane są

z jednego rodzaju merów,

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 dużym
ciężarze 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 należy 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 dużym stopniu zależne są od budowy
makrocząsteczek oraz struktury polimeru, a w szczególności od:

OLIMERY

Strona

215

• wielkości sił działających między cząsteczkami,

• ciężaru cząsteczkowego (długość makrocząsteczki),

• konfiguracji i giętkości makrocząsteczek (możliwość 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 ciężar cząsteczkowy polimeru, co z kolei ma istot-
ny wpływ na jego właściwości. Wraz ze wzrostem średniego ciężaru
cząsteczkowego wzrasta między innymi: wytrzymałość, lepkość oraz
temperatura mięknięcia polimeru. Wynika z tego, że próbki tego samego
polimeru różniące się wielkością i ciężarem makrocząsteczek charakte-
ryzują się różnymi właściwościami. Jest to istotne z punku widzenia

OZDZIAŁ

Strona

216

określania stałych materiałowych danego tworzywa, które mogą być
różne 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 umożliwiają łatwe przemieszczanie
się łańcuchów względem siebie pod wpływem przyłożonego obciążenia,
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 wyróżniamy 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 niż
polimery ataktyczne.

Specyfika sił międzyatomowych i międzycząsteczkowych występują-
cych w polimerach powoduje, że niezwykle ważny jest wpływ budowy
przestrzennej na własności polimeru.

Ze względu na sposób rozmieszczenia atomów w przestrzeni polimery
można 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 ułożonych 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:

• duża masa cząsteczkowa (długie łańcuchy),

• duża liczba rozgałęzień,

• duże i asymetryczne grupy boczne.

Najłatwiej krystalizują polimery liniowe, które nie zawierają żadnych
podstawników i dlatego wraz z obniżeniem temperatury mogą tworzyć
gęsto upakowaną strukturę o znacznej regularności. Ma to korzystny
wpływ na wytrzymałość polimeru, ponieważ duża gęstość upakowania
łańcuchów i mała objętość swobodna powoduje zbliżenie 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 również 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 odróżnieniu

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 duże 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). Poniżej tej temperatury wiązania drugorzę-

dowe wiążą 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 ważna jak temperatura
topnienia dla metali. Powyżej T

wiązania drugorzędowe rozrywają się,

umożliwiając 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 zależności od tego czy temperatura zeszklenia polimeru amorficznego
jest powyżej, czy poniżej temperatury pokojowej, polimery uzyskują
rożne właściwości w temperaturach użytkowania.

Mechanizm odkształcania polimerów

Pod wpływem obciążenia np. naprężeń rozciągających w polimerach
mogą występować pojedynczo lub jednocześnie wszystkie rodzaje
odkształceń: sprężyste, wysokoelastyczne i plastyczne. Udział poszcze-
gólnych odkształceń zależny jest od temperatury, czasu i wartości naprę-
ż

enia. Co za tym idzie właściwości mechaniczne polimerów również

w dużej mierze zależne są od temperatury i czasu. Jest to szczególnie
ważne, ponieważ zmiany zachodzą w temperaturach bliski temperaturom
ich użytkowania. Polimery pod obciążeniem odkształcają się coraz bar-
dziej wraz ze wzrostem czasu obciążenia (t) i temperatury (T). Dlatego
zwykle mówi się o czasowej i temperaturowej zależności modułu
Younga E (t,T).

Amorficzne polimery liniowe wg [13] wykazują następujące zakresy
temperaturowych odkształceń:

• zakres stanu sprężystego (szklistego), charakteryzujący się

dużą wartością modułu ok. 3 GPa

• zakres stanu (lepkosprężystego) 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 powyżej 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 dużym stopniu usieciowania struktury nie
występuje temperatura T

, a dla polimerów krystalicznych T

≈ T

OLIMERY

Strona

221

Każdy ze stanów wiąże się z określonymi właściwościami mechaniczny-
mi polimeru.

Stan sprężysty (szklisty) (

T < T

) o wysokim module Younga

W temperaturach znacznie poniżej T

polimery są w stanie sprężystym.

W tym stanie nie jest możliwa zmiana konfiguracji merów i segmentów,
ponieważ energia układu jest mniejsza od sił wiążących makrocząstecz-
ki. W Polimerze pod wpływem działających naprężeń zwiększają się
odległości międzyatomowe i następuje niewielkie odkształcenie sprężys-
te. Charakter przełomu jest kruchy. Dla polimerów silnie usieciowanych
stan ten jest jedynym, w jakim one występują.

W przypadku polimerów termoplastycznych w temperaturze niższej od
T

może występować zmiana stanu ze sprężystego na sprężysty z wymu-

szoną elastycznością (lepkosprężysty). Na rysunku 13.8 przedstawiono
przebieg krzywej rozciągania na której widoczny jest zakres odkształce-
nia lepkosprężystego. W początkowym etapie rozciągania polimer od-
kształca się sprężyście.

Rysunek 13.8. Krzywa naprężenie – odkształcenie dla polimeru

liniowego rozciąganego w temperaturze pokojowej (temperatura

mniejszej od temperatury zeszklenia o ok. 50°C) wg [13]

Zależność odkształcenie od naprężenia jest zgodna z prawem Hooke’a.
Następnie ulega odkształceniu plastycznemu – przy wartości naprężenia
s1 łańcuchy zaczynają się wyciągać ze splątań, ulegają wyprostowaniu
i orientacji zgodnie z kierunkiem działającego naprężenia. Naprężnie
rozciągające wymuszają obroty merów i fragmentów makrocząsteczek,

OZDZIAŁ

Strona

222

dzięki czemu możliwe 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 wydłużeniu zwiększa się w kierunku rozcią-
gania (równolegle do włókien) wytrzymałość próbki, ponieważ obcią-
ż

enia przenoszone są za pośrednictwem silnych wiązań kowalencyjnych

między atomami w łańcuchu głównym. Do dalszego odkształcenia po-
trzebny jest znaczny wzrost naprężenia. Takie umocnienie przez rozcią-
ganie jest często stosowane do wytwarzania wysokowytrzymałych włó-
kien polimerowych.

Zakres stanu wysokoelastycznego (spadek modułu Younga)

Jak już wcześniej podano w temperaturze zeszklenia (T

) następuje roz-

pad wiązań drugorzędowych. Stwarza to możliwość zachodzenia zmian
we wzajemnym położeniu poszczególnych segmentów łańcuchów.
W miarę wzrostu temperatury powyżej T

polimer zwiększa swoją obję-

tość swobodną umożliwiając obroty i przemieszczanie coraz większych
fragmentów makrocząsteczek, w wyniku, czego następuje znaczne
zmniejszenie modułu Younga. Lecz nadal niemożliwe jest przesuniecie
całych makrocząsteczek względem siebie. Miejsca „zakotwiczeń” łańcu-
chów powodują, że po zdjęciu obciążenia polimer powraca do stanu
wyjściowego (odkształcenia sprężyste). 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 obciążenia.
Odkształcenia sprężyste 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 położeń makrocząsteczek. Dzieje się tak, po-
nieważ energia ruchu cieplnego przewyższa energię oddziaływań mię-
dzycząsteczkowych, a dzięki objętości swobodnej makrocząsteczki mo-
gą przemieszczać się względem siebie, umożliwiając lepkie płynięcie
polimeru.

OLIMERY

Strona

223

Znajomość charakterystycznych temperatur polimerów amorficznych T

i T

daje możliwość optymalnego dobrania tych materiałów do zada-

nych warunków pracy oraz umożliwia 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
naprężania rozciągającego. Na rysunku 13.9 przestawiono krzywe roz-
ciągania dla polimerów w temperaturze wyższej i niższej od temperatury
zeszklenia.

Rysunek 13.9. Krzywe naprężenie – odkształcenie dla polimerów

w temperaturze powyżej i poniżej temperatury zeszklenia

Charakterystyka elastomerów i plastomerów

Termoplasty to tworzywa zbudowane z liniowych makrocząsteczek
(rzadziej rozgałęzionych). Łańcuchy nie są sieciowane. Temperatura ze-
szklenia plastomerów jest wyższa od temperatury pokojowej, a zatem
zakres temperatury ich użytkowania znajduje się w obszarze stanu
szklistego. Tworzywa termoplastyczne są twarde i kruche tylko w tem-
peraturach użytkowania natomiast w podwyższonych 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 umożliwia jego
formowanie. Proces formownia przeprowadza się w podwyższonych
temperaturach przez tłoczenie lub wtryskiwanie, a następnie szybkie
chłodzenie. Po zmniejszeniu temperatur polimer powraca do stanu
szklistego. W przeciwieństwie do duroplastów, termoplasty można prze-

OZDZIAŁ

Strona

224

twarzać wielokrotnie jednak zazwyczaj po każdym przetworzeniu, na
skutek zjawiska degradacji, pogarszają się ich własności użytkowe i me-
chaniczne. W temperaturze pokojowej wykazują nieznaczne odkształce-
nie pod niewielkim obciążeniem, a pod wpływem wzrastającego naprę-
ż

enia zaczynają odkształcać się plastycznie, aż 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 zależności od rodzaju struktury, a co za tym idzie i właściwości tech-
nologicznych można 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 możliwość uzyskania materiału o dużej gęstości zawie-
rającego nawet 90% fazy krystalicznej. Taki polimer nosi nazwę
polietylenu o dużej gęstości (HDPE – high density polyethylene), w od-
różnieniu od mniej wytrzymałego i sztywnego polietylenu o małej gę-
stości (LDPE – low density polyethylene).

Duroplasty są tworzywami polimerowymi, których struktura w podwyż-
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 też nie ma możliwości 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 poniżej
temperatury pokojowej, a tym samym zakres temperatur ich użytkowa-
nia znajduje się w obszarze stanu wysokoelastycznego. Dlatego też cha-
rakteryzują się one zdolnością do dużych odwracalnych odkształceń za-
chodzących pod wpływem działającego naprężenia 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, że 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) różniących się znacznie temperatu-
rami zeszklenia i topnienia. Fazę miękką tworzą łańcuchy polimeru (seg-
mentu) o dużej ruchliwości molekularnej, natomiast faza twarda (o dużej
sztywności pełni funkcję węzłów sieci.

Degradacja polimerów jest wynikiem pękania łańcuchów polimerów
i tworzenia się mniejszych cząsteczek. Degradacja polimerów może być
spowodowana przez promieniowanie świetlne lub jonizujące, względnie
działanie tlenu albo innego czynnika chemicznego. Zmienia własności
fizykochemiczne polimerów: zmniejsza ciężar cząsteczkowy, wytrzyma-
łości i lepkości. W wyniku degradacji następuje również zmatowienie,
spękanie i zmiana koloru powierzchni.

OZDZIAŁ

Strona

226

Kompozyty

W tym rozdziale:

Klasyfikacja kompozytów

Kompozyty wzmacniane włóknami

Właściwości kompozytów wzmacnianych włóknami

Składniki strukturalne kompozytów polimerowych
wzmacnianych włóknami

Kompozyty wzmacniane cząstkami

OZDZIAŁ

Strona

228

Kompozyt jest materiałem utworzonym, z co najmniej dwóch kompo-
nentów o różnych właściwościach mającym lepsze lub inne właściwości
niż każdy ze składników oddzielnie lub ich mieszanina. Jest materiałem
niejednorodnym z widocznymi granicami między komponentami. Nie-
jednokrotnie właściwości kompozytu są korzystniejsze niż suma właści-
wości jego poszczególnych komponentów. Występowanie efektu syner-
gii spowodowało szybki rozwój kompozytów, jako nowoczesnych ma-
teriałów konstrukcyjnych.

Klasyfikacja kompozytów

W zależności od pochodzenia kompozyty można podzielić na:

• kompozyty naturalne utworzone przez przyrodę na drodze

ewolucji, wszędzie tam gdzie niezbędne było przenoszenie
dużych obciążeń (drewno, kości itp.),

• kompozyty wytworzone przez człowieka.

Podstawą klasyfikacji kompozytów jest rodzaj materiałów użytych 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 również kompozyty metal – metal, polimer –polimer
oraz ceramika – ceramika, przy czym kompozyty ceramika – polimer
dominują na rynku materiałów kompozytowych.

OMPOZYTY

Strona

229

Kompozyty konstrukcyjne składają się z osnowy i umieszczonego w niej
drugiego składnika (zbrojenia) o lepszych właściwościach mechanicz-
nych.

Rys 14.2. Klasyfikacja kompozytów ze względu na:

przeznaczenie, rodzaj osnowy i zbrojenia

OZDZIAŁ

Strona

230

Opracowanie nowej grupy materiałów, jakimi są kompozyty spowodo-
wane było poszukiwaniem materiałów konstrukcyjnych o coraz większej
wytrzymałości i sztywności z jednoczesną możliwością 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
ułożonych warstw zbrojenia oraz osnowy, która spaja zbrojenie i umożli-
wia przeniesienie obciążenia na włókna. Kompozyty mogą się różnić
materiałem, z którego wykonane są poszczególne komponenty.

Właściwości kompozytów konstrukcyjnych można 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 żądanych właściwościach istotnym, elemen-
tem jest również 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 żądany kształt,

• przenosi naprężenie 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 możliwość zaprojektowania i odpo-
wiedniego dobrania ich wytrzymałości i sztywności, które zależne 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 ciężarem właściwym,

• wysoką wytrzymałością i sztywnością względną,

• odpornością na korozję,

• stosunkowo prostą technologią wytwarzania.

OZDZIAŁ

Strona

232

Natomiast do wad tych kompozytów można 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 sprężystości (

W kompozycie o jednokierunkowym rozkładzie włókien, przy założeniu
doskonałej spójności na granicy włókno – osnowa, można rozpatrywać
dwa skrajne przypadki obciążenia:

• naprężenia rozciągające są równolegle do osi włókien,

• naprężenia rozciągające są prostopadle do osi włókien.

Rysunek 14.4. Kompozyt o jednokierunkowym rozkładzie włókien

obciążony: a) równolegle do osi włókien, b) prostopadle do osi włókien

OMPOZYTY

Strona

233

Z przestawionych zależności na wartość modułu Younga dla kompozytu
włóknistego wynika, że jest on materiałem anizotropowym. Wartość
modułu sprężystości zmienia się w zależności od orientacji włókna
względem kierunku działania naprężenia, przyjmując wartość maksy-
malną, gdy naprężenia działają w kierunku równoległym do włókien
i minimalne w kierunku prostopadłym do włókien. Ponadto z przesta-
wionych równań wynika, iż sztywność kompozytu zależy od modułu
sprężystości osnowy i włókna, oraz od udziału objętościowego włókna
w osnowie.

Rysunek 14.5. Zależność modułu Younga kompozytów włóknistych

w zależności od orientacji włókna względem kierunku działania

naprężenia wg [13]

Wytrzymałość na rozciąganie

Rysunek 14.6. Krzywa rozciągania dla kompozytu wzmocnionego

włóknami ciągłymi (osnowa polimerowa, włókna ceramiczne) wg [13]

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 sprężystości kompo-
zytu,

• Przy naprężeniu R

rozpoczyna się płynięcie osnowy i na

wykresie widoczne jest niewielkie odchylenie linii prostej.
Przyrost naprężenia przenoszony jest przez włókna, które
ulegają odkształceniu sprężystemu (2÷3 na rysunku 14.6).

• Przy naprężeniu R

rozpoczyna się pękanie włókien i na wy-

kresie widoczny jest spadek naprężenia do wartości granicy
plastyczności osnowy (3

÷4) następnie przyrost naprężenia

przenoszony jest przez osnowę (odkształcenie plastyczne
osnowy 4

÷5). Spadek naprężenia nie jest gwałtowny, ponie-

waż 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
(naprężenie, przy którym zaczynają pękać włókna) zależy 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, powyżej 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, że istnieje pewna mini-
malna objętość włókien, którą należy 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. Obciążenie w kompozytach włók-
nistych przekazywane jest przez osnowę na włókna przez powierzchnię
styku obu faz. Wielkość przekazanego obciążenia zależna jest od średni-
cy włókna oraz wytrzymałości połączenia osnowy i zbrojenia, za którą
uważa się wytrzymałość osnowy na ścinanie. Mechanizm przekazania
obciążenia z osnowy na włókno, przy rozciąganiu kompozytu wzdłuż
włókien przedstawiono na rysunku 14.8.

Rysunek 14.8. Mechanizm przeniesienia obciążenia 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 można
wyznaczyć z zależności

Porównując obie wartości sił można wyznaczyć odległość, przy której
nastąpi zerwanie włókna

a następnie długość krytyczną włókna (zależną od średnicy i wytrzyma-
łości na rozciąganie włókna oraz od siły wiązania włókna z osnową),
poniżej 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, że 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, poniżej 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, że lokalne naprężania 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 zwilżalność włókna, dzięki czemu uzyskuje się
lepsze przesycenie włókien.

Wytrzymałość teoretyczna kompozytów polimerowych wzmacnianych
włóknami jest o wiele wyższa od wytrzymałości rzeczywistej. Różnica
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 naprężeń. Naprężenia lokalne w wierzchołku mogą
osiągnąć wartość równą teoretycznej wytrzymałości wiązania przy nie-
zbyt dużych naprężeniach zewnętrznych. Z reguły początkiem zniszcze-
nia kompozytu jest największy defekt, od którego rozpoczyna się propa-
gacja pęknięcia, a w konsekwencji rozerwanie próbki przy naprężeniach
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:

• żywice termoutwardzalne: fenoplasty i aminoplasty;

• żywice 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 już wspomniano rodzaj wzmocnienia wpływa na wytrzymałość
i sztywność kompozytu natomiast postać wzmocnienia (np. sposób uło-
ż

enia włókien) wpływa na stopień anizotropowości właściwości wytrzy-

małościowych kompozytu.

Rysunek 14.10. Przykładowe rodzaje wzmocnień z włókien

Włókna szklane

Właściwości mechaniczne włókna szklanego zależą w dużej 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 wyższą wytrzymałością i mniejszym ciężarem
właściwym, lecz wyższą ceną w stosunku do szkła typu E.

Włókna szklane charakteryzują się małym wydłużeniem i wysokimi
wartościami modułu sprężystości oraz bardzo dobrą zwilżalnością przez
polimery, a co za tym idzie, możliwością 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 najwyższej wytrzymałości właściwej.

Włókna węglowe charakteryzują się wysokimi właściwościami wytrzy-
małościowymi, wysokim modułem sprężystości oraz niską gęstością,
dobrze przewodzą elektryczność i mają wysoką odporność na działanie
kwasów i zasad. W zależności od cech włókna węglowego wyróżnia się
włókna o wysokiej wytrzymałości (HS – High Strength) oraz o wysokim
module sprężystości wzdłużnej (HM – High Modulus). Ze względu na
trudny i czasochłonny procesy produkcji cena tego zbrojenia jest znacz-
nie wyższa od włókna szklanego. Wytwarza się z nich elementy pracują-
ce pod dużymi obciążeniami 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 spręży-

stości wzdłużnej,

• Twaton (fenyleno-1,4-diamid) – o średnim module spręży-

stości wzdłużnej,

• Technora (Armidy) – kopolimer o niskim module spręży-

stości wzdłużnej.

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
strażaków, lotników, kierowców rajdowych i astronautów oraz do części
odpornych na ścieranie i wyrobów odpornych na przecięcie ostrymi kra-
wędziami. Stosowane są również w mocno obciążonych 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 obniżenia kosztów produkcji) oraz różne substancje pomocnicze

OZDZIAŁ

Strona

242

(utwardzacze, środki antyadhezyjne, zagęszczacze, środki smarujące,
barwniki, dodatki zmniejszające zużycie 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 również 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 możliwość 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 wyróżniamy: kompo-
zyty wzmacniane dużymi 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 naprężania przenoszone są przez osnowę. Umocnie-
nie polega na utrudnianiu ruchu dyslokacji przez rozproszone w meta-
lowej osnowie dyspersyjne cząstki. Efektywność umocnienia zależy 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.

Jeżeli rozmiary cząstek umacniających są większe od 1,0

m to materiał

zaliczany jest do kompozytów umacnianych dużymi cząstkami. W kom-
pozytach tych w odróżnieniu do kompozytów umacnianych dyspersyjnie
obciążenie przenoszone jest przez osnowę i cząstki.

Umocnienie cząstkami kompozytów wynika z:

• oddziaływania sprężystego cząstek z osnową,

• ograniczenia ruchu dyslokacji,

• utworzenia ciągłej siatki wzmocnienia w plastycznej osno-

wie.

Umocnienie przez przejmowanie obciążenia z osnowy oraz hamowanie
odkształcenia osnowy zależne jest od udziału objętościowego cząstek
oraz jakości ich połączenia z osnową. Przy słabych oddziaływaniach
adhezyjnych osnowy i zbrojenia wytrzymałość na rozciąganie kompozy-
tu może być mniejsza niż osnowy. Wpływ udziału objętościowego
cząstek na sztywność kompozytu przedstawiono na rysunku 14.11.

Rysunek 14.11. Moduł Younga kompozytu w zależności od udziału

objętościowego wzmocnienia wg [2]

OZDZIAŁ

Strona

244

Aby osiągnąć optymalne właściwości kompozytu:

• cząstki powinny mieć jednakowe rozmiary;

• powinny być równomiernie rozłożone;

• 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 powyżej 1

µm, a ich udział objętościo-

wy w materiale może 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 próżniowym w temperaturach od
1400÷1550 °C.

Cermetale charakteryzują się:

• dużą twardością i odpornością na ścieranie,

• dużą wytrzymałością na zginanie,

• odpornością na utlenianie (również w podwyższonych 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 żelaza.

Wzmocnienie kompozytów cząstkami jest znacznie mniejsze niż włók-
nami. Jednakże łatwość ich wytwarzania powoduje, iż stosowane są one
w bardzo szerokim zakresie. Cząstki nie zawsze wprowadzane są w celu
wzmocnienia kompozytu, lecz również w celu uzyskania innych nie-
zbędnych cech.

OMPOZYTY

Strona

245

W przypadku kompozytów o sprężystej 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 może być wprowadzanie grafitu do gumy stosowanej
na opony samochodowe, spełniającego funkcje smarujące, w wyniku,
czego uzyskujemy zwiększenie odporności na zużycie ścierne.

W przypadku polimerów z wypełniaczami proszkowymi (kreda, piasek,
zmielone laminaty) uzyskujemy zwiększenie odporności na ścieranie
oraz obniżenie ceny materiału.

OZDZIAŁ

Strona

246

Literatura

W tym rozdziale:

Bibliografia

Skorowidz norm

OZDZIAŁ

Strona

248

Literatura

1. Ciszewski A., Radomski T., Szumer A., Materiałoznawstwo,

OWPW, Warszawa, 1998.

2. Ashby M. F., Jones D. R. H., Materiały Inżynierskie 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 żelaza, Wy-

dawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2007.

10. Pampuch R., Budowa i właściwości materiałów ceramicznych,

Wydawnictwo AGH, Kraków, 1995.

11. Dobrzański L., Materiały inżynierskie i projektowanie materia-

łowe, WNT, Warszawa, 2006.

12. Górny Z., Odlewnicze stopy metali nieżelaznych, WNT, Warsza-

wa 1992.

13. Ashby M. F., Jones D. R. H., Materiały Inżynierskie 2. Kształto-

wanie struktury i właściwości, dobór materiałów, WNT, War-
szawa, 1996.

ITERATURA

Strona

249

14. Burakowski T., Wierzchoń T., Inżynieria 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 podwyższonej 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 sprężyno-
we i do innych zastosowań.

PN-EN 10270-1:2004 Drut stalowy na sprężyny mechaniczne. Część 1:
Drut sprężynowy 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.

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
Materiały konstrukcyjne
Dobór materiałów konstrukcyjnych – projekt oprawki do okularów
Dobieranie materiałów konstrukcyjnych u
Utwardzanie wydzieleniowe stopów aluminium, WAT, LOTNICTWO I KOSMONAUTYKA, WAT - 1 rok lotnictwo, co
7. zauwy-biuro-handlowe-Toszek, Studia, Projekt - materialy konstrukcyjne, 15. Zasuwy zaporowe
sprawko2, SIMR 1ROK, SIMR SEM2, LAB. MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE
MC W Wyklad 08 Tlenkowe Materialy Konstrukcyjne
Pytania i Odpowiedzi materiały konstrukcyjne, SIMR 1ROK, SIMR SEM 1, MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE, 1 kolo
10. zwrotne-klapowe-biuro-handlowe-Toszek, Studia, Projekt - materialy konstrukcyjne, 26. Zawory zwr
21-30Norbi, ZiIP Politechnika Poznańska, Wytrzymałość materiałów i konstrukcji - OSTWALD
WŁASCIWOŚCI MATERIAŁÓW, Konstrukcje drewniane i murowe
03 Stosowanie materiałów konstrukcyjnych
3 Materialy konstrukcyjne PKUP
Materiały konstrukcyjne
mk sciaga2, WAT, LOTNICTWO I KOSMONAUTYKA, WAT - 1 rok lotnictwo, cos inne rozne, Materiały konstruk
sprawozdanie całość, ZUT-Energetyka-inżynier, I Semestr, Materiały konstrukcyjne, Metale, 2. Stale w
materiały kolos II, WAT, LOTNICTWO I KOSMONAUTYKA, WAT - 1 rok lotnictwo, cos inne rozne, Materiały

więcej podobnych podstron