Materiałoznawstwo

Dr. Grzegorz Nowak

Plan wykładu

• rodzaje materiałów
• wybrane właściwości materiałów
• metale (stopy)

– żelazo i stal
– obróbka cieplna
– metale nieżelzne

• polimery
• ceramiki i szkła
• metody formowania materiałów
• półprzewodniki

Plan zajęć

14.02
wstęp, rodzaje i struktura
materiałów

28.03
metale polimery

28.02
własności materiałów

18.04
materiały ceramiczne i szkła

14.03

wykresy fazowe

09.05
obróbka i formowanie
materiałów

12.05
metale i ich stopy

06.06
materiały półprzewodnikowe

literatura

• Wstęp do inżynierii materiałowej M.Blicharski WNT
• Materiały inzynierskie MF.Ashby, DR.Jones WNT
• Inżynieria materiałowa MW.Grabski, JA.Kozubowski
• Britney's Guide to Semiconductor Physics:

http://britneyspears.ac/lasers.htm

Inżynieria materiałowa

• Jest to nauka o materiałach z inżynierskiego

punktu widzenia

• Chemia i fizyka zajmują się opisem

własności materiałów

• Inżynieria materiałowa kształtuje własności

materiałów zgodnie z zapotrzebowaniem

Rodzaje materiałów

• metale
• ceramiki
• polimery
• kompozyty

metale

• spośród 103 znanych pierwiastków 80 jest

metalami

• zwykle używa się stopów metali
• najpopularniejsze są stopy żelaza,

aluminium, miedzi

• duża wytrzymałość, łatwa obróbka

Materiały ceramiczne

• materiał wyjściowy: proszek + lepiszcze
• wymaga spiekania, czasem pod ciśnieniem
• typowe przykłady: cegła, porcelana, SiC

(karborund), widia (węglik wolframu)

• twarde, kruche, odporne na temperaturę,

trudne w obróbce

polimery

• Tworzywa sztuczne, materiały

wielkocząsteczkowe

• Zbudowane z długich łańcuchów

pojedynczych cząstek

• Łatwe w formowaniu, odporne na korozje
• Niska sztywność, wrażliwe na temperaturę

kompozyty

• Składają się z 2 (lub więcej) materiałów o

różnych własnościach

• Własności kompozytu są lepsze niż każdego

składnika osobno

• Przykłady:

– Sklejka
– Beton, żelbeton
– Włókna szklane + żywica

Inne materiały

• Półprzewodniki

– Si, Ge, GaAs, GaN, GaP, In

• Materiały naturalne

– skóra, wełna, wiklina, kość (słoniowa)

• nanomateriały

Zakres stosowalności materiału

• Polimery stosujemy

gdy nie występują
duże obciążenia

• Metale stosujemy gdy

występują duże
obciążenia

• Ceramiki są najlepsze

w wysokich
temperaturach

• Własności materiału,

jego struktura i proces
wytwarzania są
wzajemnie powiązane

Mikrostruktura materiałów

• Wszystkie substancje składają się z atomów
• Istnieje kilka typów wiązań pomiędzy

atomami

• W wyniku oddziaływań międzyatomowych

powstają struktury wyższego rzędu

Tabela Mendelejewa

Rodzaje wiązań

międzyatomowych

• Kowalencyjne
• Jonowe
• Metaliczne
• Van der Waalsa (wtórne)
• wodorowe

Wiązania kowalencyjne

• Dwa elektrony

pochodzące z
sąsiednich atomów
tworzą parę

• Jest to podstawowy

typ wiązania

• Wiązanie jest mocne i

ma kierunek

Wiązanie jonowe

• W związku chemicznym

elektron przechodzi z
jednego atomu na drugi

• Tworzą się kationy o

ładunku dodatnim i aniony

o ładunku ujemnym

• Jony przyciągają się

elektrostatycznie tworząc

wiązanie

• Tworzą się twarde

kryształy

Wiązanie metaliczne

• Atomy metalu oddają elektrony stając się

kationami

• Swobodne elektrony tworzą gaz

elektronowy który wiąże ze sobą kationy

• Wiązanie nie ma określonego kierunku
• Metale są dobrymi przewodnikami prądu i

ciepła

Energia wiązań

wiązanie

Energia wiązania [kJ/mol]

Jonowe

600-1550

Kowalencyjne

500-1250

Metaliczne

100-850

Van der Waalsa

40

wodorowe

20

Dominujące typy wiązań w

różnych materiałach

• W metalach dominuje

oczywiście wiązanie
metaliczne

• W ceramikach,

półprzewodnikach i

szkłach dominuje

oddziaływanie
kowalencyjne

• W polimerach istotne są

wiązania kowalencyjne i
van der Waalsa

Przemiany fazowe

• Pod wpływem warunków zewnętrznych

atomy (cząstki) przyjmują stabilną
konfigurację – tzw. fazę

• Dla układów jednoskładnikowych

występują zwykle trzy fazy

• Dla układów wieloskładnikowych układ faz

może być bardzo skomplikowany

Wykres fazowy układu

jednoskładnikowego

• Poniżej pewnej

temperatury faza

ciekła nie istnieje

• Powyżej określonej

temperatury nie

istnieje faza stała

• Faza ciekła istnieje

tylko powyżej

określonej
temperatury

Wykres fazowy dla wody

• W warunkach

wysokiego ciśnienia
lód może występować
w wielu postaciach

Wykres fazowy dla układu

dwóch składników

• Można określić między

innymi:

– Temperaturę topnienia
– Zakresy rozpuszczalności
– Ilość faz

• Znając wykres fazowy i

historię układu można
zgadnąć strukturę
materiału

Wykres fazowy dla układu Cu-Sn

(brąz)

Struktura materiałów

• Wiele materiałów ma strukturę

(mikro)krystaliczną

• Własności materiału zależą od rodzaju

kryształu oraz od defektów struktury
krystalicznej takich jak:

– Domieszki
– Dyslokacje
– Granice ziaren

kryształy

• Kryształ jest zbudowany z regularnie

powtarzających się atomów (cząstek)

• Metale i ceramiki mają strukturę

mikrokrystaliczną

• Duże kryształy są wykorzystywane w technice

półprzewodnikowej

• Diament jest kryształem

Kryształy cd

• Typowymi kryształami

są cukier, sól, lód

• Własności

(mikro)kryształu bardzo
mocno zależą od
zawartych w nim
defektów

Typy struktur
krystalograficznych

Typy defektów kryształów

• Defekty punktowe
• Dyslokacje
• Granice ziaren

Defekty punktowe

• Domieszki
• Atomy

międzywęzłowe

• Wakansje (luki)

Defekty liniowe - dyslokacje

• Dwa podstawowe typy

dyslokacji: krawędziowe i

śrubowe

• Dyslokacja krawędziowa

to brak jednej

półpłaszczyzny w
krysztale

• Dyslokacja śrubowa to

przesunięcie jednej

półpłaszczyzny w
krysztale

Dyslokacje cd

• Przykład dyslokacji

krawędziowej

Granice ziaren

• Granice pomiędzy

krystalitami tworzą
granice ziaren

Defekty w kryształach

• Idealny kryształ jest (powinien być) twardy
• Obecność dyslokacji powoduje że materiał

staje się plastyczny

• Manipulując defektami można zmieniać

utwardzać materiał (hartowanie, kucie) bądź
go uplastyczniać (odpuszczanie)

Defekty w kryształach cd

• Domieszki decydują o własnościach

półprzewodników

• Własności ceramik są zdeterminowane

przez granice ziaren

• Własności plastyczne metali zależą od

dyslokacji

Istotne parametry materiału

• Gęstość
• Mechaniczne

– sprężystość
– odkształcania
– twardość
– udarność
– zmęczenie
– pełzanie

• Magnetyczne

– diamagnetyki,paramag

netyki, ferromagnetyki

• Elektryczne

– izolatory, przewodniki

• Cieplne
• Optyczne

Ale najważniejszym parametrem jest cena

Odkształcenie pod wpływem

naprężeń

Próba zerwania
Mierzymy siłę w funkcji

wydłużenia

Odkształcenie pod wpływem

naprężeń

• Przy małych naprężeniach

materiał odkształca się
elastycznie. Jest to proces
odwracalny.

• Przy dużym naprężeniu

materiał odkształca się

plastycznie. Ulega trwałemu

odkształceniu. Jest to proces
nieodwracalny.

• Przy dużym odkształceniu

następuje zerwanie. Przedmiot
ulega zniszczeniu.

Odkształcenia sprężyste

• W zakresie odkształceń sprężystych odkształcenie

następuje na skutek zmiany odległości pomiędzy
atomami – bez generacji defektów

• Odkształcenie jest proporcjonalne do naprężenia

(prawo Hooke’a)



= E



gdzie E – moduł Younga (współczynnik
sprężystości)

Moduły Young’a wybranych

metali

Zmęczenie materiału

• Na skutek wielokrotnych

odkształceń powstają
defekty (pęknięcia)

• Występuje w zakresie

odkształceń sprężystych

• Jest podstawową

przyczyną zniszczeń
urządzeń mechanicznych

Przykład układu do badań
zmęczeniowych

Zmęczenie - dygresja

• Badania zmęczeniowe są

przykładem badań

niezawodnościowych

(określanie czasu życia)

• Określenie czasu życia

jest niezbędne dla

wszystkich urządzeń
technicznych

• Często stosuje się testy

akcelerowane
(przyspieszone)

• Czas życia obiektu mierzy

się przy wyższych
naprężeniach
(temperaturze etc) niż
wymagane w czasie
eksploatacji

• Uzyskane wyniki

ekstrapoluje się do
normalnych warunków
pracy

Zmęczenie - dygresja

• Ilość cykli do

zniszczenia zależy od
naprężenia

twardość

• Pomiar twardości

polega na wciskaniu
wgłebnika w badany
materiał i pomiarze
wielkości odcisku

• Istnieje wiele

znormalizowanych
metod pomiaru
twardości

• Pomiar twardości jest

niezbędny w trakcie
obróbki termicznej
metali (hartowanie i
odpuszczanie)

Metody pomiaru twardości

gęstość

Gęstość to stosunek masy do objętości

d = m / V

Zwykle wyraża się w gramach na centymetr
sześcienny [g / cm

-3

]

Masę mierzy się przy pomocy wagi, objętość
można zmierzyć np. metodą Archimedesa

Gęstość – materiały porowate

• Pory dzielą się na zamknięte i otwarte
• Najdokładniej objętość porów można

zmierzyć pod mikroskopem. Jest to pomiar
niszczący i czasochłonny

Pomiar gęstości materiałów

porowatych

• Piknometria

– Objętość próbki to objętość której nie może

zająć gaz

– Najczęściej używa się helu (gaz obojętny i

dobrze penetrujący)

• Pozymetria – pomiar wielkości porów

– Wciskamy rtęć do materiału. Im większe

ciśnienie tym mniejsze pory są wypełniane.

magnetyzm

• Wszystkie rodzaje

atomów oddziałują z
polem magnetycznym

• Własności

magnetyczne
materiału zależą od
rodzaju atomów oraz
ich wzajemnego
oddziaływania

• Typy materiałów

magnetycznych

– Diamagnetyki
– Paramagnetyki
– Ferromagnetyki
– Antyferromagnetyki
– ferrimagnetyki

Pole magnetyczne

Indukcja magnetyczna:

B=





0

n I / l

gdzie



0

– przenikalność

magnetyczna próżni



- przenikalność

magnetyczna

materiału

Pole magnetyczne

• Indukcje magnetyczną mierzymy w teslach
• Ziemskie pole magnetyczne ma indukcje

ok. 0.01 tesli

• Rezonans magnetyczny (MRI)

wykorzystuje pole magnetyczne o indukcji
ok. 2 tesli

diamagnetyki

• Materiały w których

atomy nie mają
trwałego momentu
magnetycznego

• Są wypychane z pola

magnetycznego

• Jest to efekt słaby
• Ag, Au, Cu, Pb

Indukowane momenty
magnetyczne atomów ustawiają
się przeciwnie do kierunku
zewnętrznego pola
magnetycznego

paramagnetyki

• Atomy mają stały

moment magnetyczny

• Są wciągane do pola

magnetycznego

• Jest to efekt

stosunkowo słaby

• Al, Cr, Mg

Momenty magnetyczne atomów
ustawiają się zgodnie z
kierunkiem zewnętrznego pola
magnetycznego

ferromagnetyki

• Atomy mają stały moment

magnetyczny

• Oddziaływania kwantowe

ustawiają momenty

magnetyczne atomów w
tym samym kierunku

• Są trwale namagnesowane

ale powstaje struktura
domenowa

• Jest to bardzo silny efekt
• Fe, Ni, Co, Gd

Zależność momentu magnetycznego

od temperatury

• Drgania termiczne

niszczą
uporządkowanie
magnetyczne atomów

• Powyżej temperatury

Curie
namagnesowanie
zanika

Struktura domenowa

• Wszystkie materiały

ferromagnetyczne

tworzą domeny

• Istnienie domen

utrudnia uzyskanie

silnych magnesów

trwałych

• Przemagnesowanie

domen jest trudne i
wymaga energii

Domeny magnetyczne
ustawiają się tak aby
zminimalizować zewnętrzne
pole magnetyczne

Histereza magnetyczna

• Stan namagnesowania

zależy od

zewnętrznego pola
magnetycznego i od
historii

• Z wykresu można

odczytać mn:

indukcję nasycenia

indukcję szczątkową

siłę koercji

Histereza magnetyczna

• Istnienie domen

magnetycznych jest

przyczyną histerezy
magnetycznej

• Indukcja nasycenia

odpowiada ustawieniu
wszystkich domen
magnetycznych w jednym
kierunku

• Pole powierzchni pętli

histerezy określa energię

traconą w czasie jednego
cyklu

Rodzaje materiałów magnetycznych

• Materiały

magnetyczne twarde

– Magnesy
– Pamięci magnetyczne

• Materiały

magnetyczne miękkie

– Rdzenie

transformatorów

– Silniki i prądnice

Materiały magnetyczne miękkie

• Stopy Fe-Si

– Małe częstotliwości, duże moce

• Stopy Fe-Ni

– Duże częstotliwości, małe moce

• Ferryty

– Bardzo duże częstotliwości

• Szkła metaliczne

Materiały magnetyczne miękkie

• Stopy Fe-Si

– Dodatek krzemu zwiększa opór elektryczny

(zmniejsza) prądy wirowe

– Dodatek krzemu obniża indukcje nasycenia i

przewodnictwo cieplne

• Stosowany jako rdzenie do silników i

transformatorów

Materiały magnetyczne miękkie

• Stopy Fe-Ni

– Zawierają ok. 79% Ni
– Mała anizotropia
– Niska magnetostrykcja

• Stosowane w głośnikach, głowicach

odczytujących itp

Materiały magnetyczne miękkie

• Ceramiki

– Ferrryty
– Granaty
– magnetoplumbity

• Nie przewodzą prądu elektrycznego
• Stosowane w technice radiowej i

mikrofalowej (anteny ferrytowe)

Materiały magnetyczne miękkie -

własności

Zapis magnetyczny

Używa się Fe

2

O

3

lub CrO

2

w

materiale wiążącym
Temperatura Curie dla CrO

2

wynosi 128

o

C

Temperatura Curie dla Fe

2

O

3

wynosi 600

o

C

Prostokątna pętla histerezy

Materiały magnetyczne twarde

• Stosowane jako magnesy
• Wykonuje się z ziaren tak małych, że w

środku mieści się tylko jedna domena

• Najczęściej wykonywane metodą proszków

spiekanych

Materiały magnetyczne twarde -

własności

Własności elektryczne

Opór elektryczny jest określony przez prawo Ohma

I = U / R

Własności elektryczne

Do charakteryzacji materiałów używa się oporności
właściwej



[



m]

R =



l / S

l – długość S – pole przekroju poprzecznego

Używa się również pojęcia przewodnictwo właściwe



= 1 /



[



-1

m

-1

]

Własności elektryczne

• Materiały dzielimy na:

– Przewodniki
– Półprzewodniki
– Izolatory

Przewodność elektryczna

Przewodność elektryczna

• Oporność elektryczna zależy od

temperatury

• Oporność metali rośnie w wyższych

temperaturach

• Oporność półprzewodników zwykle maleje

w wyższej temperaturze.

Przewodność elektryczna

Zależność przewodności elektrycznej od
temperatury opisuje się jako



=



tp

[1 +



( T – T

p

)]

Przewodność elektryczna

Przewodnictwo miedzi
zależy od czystości i
temperatury

Przewodność elektryczna

Własności cieplne

• Przewodnictwo cieplne
• Pojemność cieplna
• Rozszerzalność termiczna

Ciepło właściwe

Ilość energii potrzebna do ogrzania 1 grama o
jeden stopień kelvina
Ciepło właściwe mierzymy w [J g

-1

K

-1

]

Ciepło właściwe

Przewodnictwo cieplne

Przewodnictwo cieplne jest zdefiniowane jako

J

Q

= -



(dT / dx)

Mierzy ilość ciepła przechodzącą przez
przekrój materiału

Przewodnictwo cieplne

Przewodnictwo cieplne

Rozszerzalność cieplna

Względna zmiana rozmiaru liniowego w
funkcji temperatury

(L – L

0

) / L

0

=



(T – T

0

)



- liniowy współczynnik rozszerzalności

cieplnej [K

-1

]

Własności optyczne

Widmo promieniowania

elektromagnetycznego

Własności optyczne

Światło odbija się od powierzchni
część światła wchodzi do materiału, gdzie może zostać
zaabsorbowana lub rozproszona
część światła przechodzi na drugą stronę

Światło wewnątrz materiału może wielokrotnie odbijać
się od powierzchni

Współczynnik załamania

Współczynnik załamania
n jest zdefiniowany jako

n = sin



/ sin



Jest wielkością
bezwymiarową, zależy
od długości fali światła

Współczynnik załamania

Współczynnik odbicia

Współczynnik odbicia zależy
od współczynnika załamania.
Jest on określony wzorem:

R= (n – 1)

2

/ (n+1)

2

Współczynnik absorpcji

Wykresy fazowe

Wykres fazowy dla substancji

wzajemnie się rozpuszczających

Powyżej linii likwidusu występuje
tylko ciecz
Poniżej linii solidusu występuje tylko
stan (roztwór) stały
Pomiędzy liniami solidusu i
likwidusu współistnieją dwie fazy:
stała i ciekła

Krzepnięcie układu o

nieograniczonej rozpuszczalności

Wykres fazowy dla składników

nie rozpuszczających się

Ciecz o składzie punktu E jest
nazywana cieczą eutektyczną,
a jej skład składem eutektycznym

Chłodzenie cieczy eutektycznej

Powstają zmieszane kryształki składnika A i B

Chłodzenie cieczy

podeutektycznej

Wykres fazowy z przemianą

eutektyczną gdy składniki

rozpuszczają się w stanie stałym

Struktura stopu eutektycznego w

czasie chłodzenia

Struktura stopu

podeutektycznego w czasie

chłodzenia

Struktura stopu

podeutektycznego w czasie

chłodzenia bez przemiany

eutektycznej

Żelazo - własności

Żelazo - własności

Nazwa, symbol, l.a.*

Żelazo, Fe, 26

Gęstość

7874 kg/m

3

Masa atomowa

55,845 u

Struktura krystaliczna

regularna
przestrzennie
centrowana

Stan skupienia

stały

Temperatura topnienia

1808 K (1535 °C)

Temperatura wrzenia

3023 K (2750 °C)

Temperatura Curie

1043 K (770 °C)

Żelazo - własności

Temperatura Curie

1043 K (770 °C)

Objętość molowa

7,09×10-3 m

3

/mol

Ciepło parowania

349,6 kJ/mol

Ciepło topnienia

13,8 kJ/mol

Prędkość dźwięku

4910 m/s (293,15 K)

Ciepło właściwe

440 J/(kg*K)

Przewodność właściwa

9,93×106 S/m

Przewodność cieplna

80,2 W/(m*K)

Żelazo - własności

izotop

wyst.

o.p.r

s.r.

e.r.

MeV

p.r.

54

Fe

5,8%

stabilny izotop z 28

neutronami

55

Fe

{syn.}

2,73

lat

w.e.

0,231

55

Mn

56

Fe

91,72%

stabilny izotop z 30 neutronami

57

Fe

2,2%

stabilny izotop z 31 neutronami

58

Fe

0,28%

stabilny izotop z 32 neutronami

59

Fe

{syn.}

44,503

dni

β

-

1,565

59

Co

60

Fe

{syn.}

1,5×10

6

lat

β

-

3,978

60

Co

Odmiany alotropowe czystego

żelaza

•

Żelazo występuje w trzech odmianach
alotropowych:

– żelazo α
– żelazo γ
– żelazo δ

•

Jedynie żelazo α posiada własności
ferromagnetyczne.

•

Przemiana alotropowa żelaza α w żelazo γ
zachodzi w temperaturze 723°C przy
schładzaniu lub 728°C przy ogrzewaniu.

•

Przemiana alotropowa żelaza γ w żelazo δ

zachodzi w temperaturze 1400°C.

Wykres fazowy żelazo-węgiel

Czyste żelazo

• Fe-



Do temperatury 912

o

C ma ma

strukturę przestrzennie centrowaną (RPC)

• Fe-



od 912

o

C do 1394

o

C ma strukturę powierzchniowo

centrowaną (RSC)

• Fe-



(



)

od 1394

o

C do temperatury topnienia ma strukturę

przestrzennie centrowaną

Wykres fazowy żelazo-węgiel

• Ferryt (



) - międzywęzłowy roztwór węgla

w żelazie



. Maksymalna rozpuszczalność

węgla wynosi 0.02%

• Austenit (



) - międzywęzłowy roztwór

węgla w żelazie



. Maksymalna

rozpuszczalność węgla wynosi 2.11%

Wykres fazowy żelazo-węgiel

• Cementyt to węglik żelaza (Fe

3

C). Zawartość

węgla w cementycie jest stała i wynosi 6.67%

– cementyt wydzielający się z cieczy (poniżej linii DC)

nazywamy cementytem pierwotnym

– cementyt wydzielający się z austenitu (poniżej linii ES)

nazywamy cementytem wtórnym

– Cementyt wydzielający się z ferrytu (poniżej linii PQ)

nazywamy cementytem trzeciorzędowym

Wykres fazowy żelazo-węgiel

• Perlit jest produktem przemiany austenitu

zawierającego około 0.77% C. Zbudowany
jest z płytek cementytu i ferrytu o stosunku
grubości ok. 1:8

Wykres fazowy żelazo-węgiel

• Ledeburyt powstaje z cieczy zawierającej

4.3% węgla. Składa się z cementytu i
austenitu.

• W temperaturze poniżej 727

o

C ledeburyt

ulega przemianie tworząc ledeburyt
przemieniony

Wykres fazowy żelazo-węgiel

• Stopy żelaza z węglem do 2.11% C

nazywamy stalami

• Stopy żelaza z węglem o zawartości węgla

powyżej 2.11% C nazywamy żeliwami

Zmiany struktury stali

(0.77%C) w czasie chłodzenia

Austenit przemienia się
w perlit
Zmiany struktury poniżej
727

o

C są niewielkie

Zmiany struktury stali

(0.4%C) w czasie chłodzenia

Z austenitu wydziela się
ferryt

Poniżej 727

o

C pozostały

austenit przemienia się
w perlit

Zmiany struktury stali

(1.3%C) w czasie chłodzenia

Z austenitu wydziela się
cementyt wtórny

Poniżej 727

o

C pozostały

austenit przemienia się
w perlit

Struktura stali po powolnym chłodzeniu.
a) ferryt i cementyt trzeciorzędowy (poniżej 0.02%C
b) struktura ferrytyczno-perlityczna (0.6%C)
c) struktura perlityczna (0.77%C)
d) perlit i cementyt drugorzędowy

Wykres fazowy żeliwa

• Przemiany fazowe w systemie Fe-C występują w

układzie stabilnym bądź w układzie
metastabilnym

• Układ Fe-Fe

3

C jest układem metastabilnym

• Układ Fe-C (grafit) jest układem stabilnym

• Zwykle przemiany fazowe zachodzą według

układu metastabilnego. Przy większych

koncentracjach węgla, zwłaszcza w obecności Si,

przemiany mogą zachodzić w układzie stabilnym

Wykres fazowy żelaza (stabilny)

Zmiany struktury stopu Fe-C

(2.5%C) w czasie chłodzenia

według układu metastabilnego

Powstaje austenit w
osnowie ledeburytu

Poniżej 727

o

C austenit

przemienia się w perlit
ledeburyt przemienia się
w ledeburyt przemieniony

Zmiany struktury stopu Fe-C

(2.5%C) w czasie chłodzenia

według układu stabilnego

Powstaje austenit w
osnowie eutektyki
żelazo-grafit (płatki)

Poniżej 727

o

C austenit

przemienia się w perlit
z eutektyki wydziela się
ferryt i grafit

Kinetyka przemian fazowych -

hartowanie

Wykresy CTP

Wykresy Czas,
Temperatura, Przemiana
pokazują kinetykę przemiany
fazowej

Krzywa z lewej strony reprezentuje początek przemiany
fazowej (1% objętości), linia przerywana 50% przemiany, a
krzywa z prawej koniec przemiany (99%)

Przemiana martenzytyczna

Austenit usiłuje
przekształcić się w
żelazo



. Ale

rozpuszczony węgiel
przeszkadza. W wyniku
dostajemy
zniekształconą strukturę
żelaza



.

Przemiana martenzytyczna

• Obróbkę cieplną prowadzącą do powstania

struktury martenzytycznej nazywamy
hartowaniem

• Przemiana martenzytyczna wprowadza

naprężenia do materiału

• Objętość właściwa martenzytu jest większa

od austenitu z którego powstał (przedmiot
hartowany zmienia rozmiar)

Przemiana martenzytyczna

• Temperatura

przemiany bardzo
silnie zależy od składu
stali

• M

s

(

o

C)=561-474(%C)-

33(%Mn)-17(%Ni)-
17(%Cr)-21(%Mo)

hartowanie

Celem hartowania jest powstanie
struktury martenzytycznej, która
może powstać tylko z austenitu

w czasie hartowania stali trzeba
ją podgrzać do temperatury
umożliwiającej powstanie austenitu

hartowanie

W czasie hartowania należy
stal chłodzić szybko aby
uniknąć przemian w zakresie
dyfuzyjnym

w czasie hartowania powstają
duże naprężenia z powodu
różnicy temperatur pomiędzy
powierzchnią a rdzeniem
materiału

Hartowanie stopniowe

Przedmiot wytrzymuje się
w temperaturze trochę
powyżej M

s

aż do

wyrównania temperatur,
a następnie powoli chłodzi
umożliwiając przemianę
jednocześnie w całej
objętości

Hartowanie izotermiczne

Oziębianie zostaje
zatrzymane tuż
powyżej M

s

a czas

wytrzymania jest
dostatecznie dłgi

odpuszczanie

• Po zahartowaniu stal ma bardzo złe

własności plastyczne

• Obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu

zahartowanej stali w celu poprawy
własności plastycznych jest nazywana
odpuszczaniem

Stadia odpuszczania

• 100-200

o

C - struktura staje się podobna do

bainilitu. Wytrzymałość stali (zwykle) maleje

• 200-350

o

C – następuje przemiana austenitu

szczątkowego w ferryt i cementyt. Powoduje to
umocnienie stali

• 250-400

o

C – wydzielanie cementytu, ruch

dyslokacji. Wytrzymałość stali zmniejsza się

• 400-727

o

C – rekrystalizacja osnowy. Powyżej

727

o

C tworzy się austenit

odpuszczanie

W stalach stopowych
mechanizmy
odpuszczania są bardziej
skomplikowane. Różnice
występują zwłaszcza
przy odpuszczaniu w
wysokich temperaturach

odpuszczanie

Niektóre rodzaje stali
utwardzają się w czasie
odpuszczanie, głównie
na skutek tworzenia
węglików

Obróbka powierzchniowa

• Hartowanie powierzchniowe – nagrzewa się tylko

cienką warstwę powierzchniowej i ją hartuje.

• Nawęglanie – nasyca się węglem warstwę

powierzchniową i następnie hartuje

• Azotowanie – nasycenie powierzchni azotem.

Stale do azotowanie zwykle zawierają aluminium
(AlN jest bardzo twardy)

• Inne (nagniatanie, wytwarzanie warstw

diametowych etc)

Wytwarzanie żelaza - historia

Dymarka

Rekonstrukcja dymarki w
Biskupinie

Wytwarzanie żelaza w

dymarkach

http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html

Wytwarzanie żelaza w

dymarkach

1 - Szyb pieca.
2 - Wsad (węgiel drzewny +
ruda żelaza).
3 - Kotlinka wypełniona
ściekającym podczas wytopu
żużlem.
4 - łupka żelaza.
5 - Dysze.
6 - Pierwotny poziom terenu.
7 - Poziom dna kotlinki.

http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html

Wytwarzanie żelaza w

dymarkach

Fragment łupki
żelaznej uzyskanej
w doświadczalnym
piecu dymarskim.

http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html

Wytwarzanie żelaza w

dymarkach

1 - Żużel
2 - Przecięty pęcherz
spieczonego żelaza.
3 - Węgiel drzewny.

http://www.platnerz.com/platnerz-com/scriptorium/faq/zelazodymarkowe/tekst/tekst.html

Wytwarzanie żelaza w wielkim

piecu

XIX wieczna rycina
przedstawiająca wieki piec
(do produkcji żeliwa)

Wytwarzanie żelaza w wielkim

piecu

• Wielkie piece umożliwiły stropienie żelaza i

produkcję żeliwa na skale masową

• Wielki piec mógł być używany wielokrotnie
• Żeliwo można można odlewać
• Stal z żeliwa można uzyskać po procesie

konwersji

Wytwarzanie żelaza w wielkim

piecu

• Początkowo używano tzw. ognisk fryszerskich
• W 1794 wynaleziono piec pudlarski
• W 1860 zainstalowano w Anglii pierwszy

konwerter („gruszkę”) Bessemera

• W roku 1850 produkcja żeliwa w Anglii wynosiła

około 3 milionów ton podczas gdy produkcja stali

wynosiła tylko 60 tysięcy ton

• W roku 1890 produkcja stali w Anglii wynosiła

ok. 5 milionów ton

Gruszka Bessemera

Powietrze
wdmuchiwano
od spodu

Gruszka Bessemera

Rodzaje stali

• Stale konstrukcyjne
• Stale narzędziowe
• Stale specjalne

Stale konstrukcyjne

• Stale niskostopowe
• Stale do nawęglania
• Stale do azotowania
• Stopowe do ulepszania cieplnego
• Stale sprężynowe
• Stale łożyskowe
• Stale do hartowania powierzchniowego
• Stale maraging

Stale i stopy narzędziowe

• Stal węglowa narzędziowa
• Stal narzędziowa do pracy na zimno
• Stal narzędziowa do pracy na gorąco
• Stale szybkotnące

Stale specjalne

• Stale odporne na ścieranie
• Stale nierdzewne i kwasoodporne
• Stale żarowytrzymałe i żaroodporne
• Stale o dużym oporze elektrycznym
• Stale o szczególnych własnościach

magnetycznych

Przemiana martenzytyczna