Adam Garcorz Gliwice, 15.11.2003r.

Kierunek : ZiIP

Semestr : 1

Grupa : 1

Sekcja : 2

Sprawozdanie z ćwiczenia:

Porównanie struktur i własności wybranych metali i ich stopów.

I. Pojęcie stali.

Stal jest plastycznie i cieplnie obrabialnym stopem żelaza w węglem i innymi pierwiastkami, otrzymywanym w procesach stalowniczych ze stanu ciekłego. Za stężenie węgla graniczne, oddzielające stale od żeliw, przyjmuje się 2% ( jedynie nieliczne stale wysokochromowe mogą zawierać więcej niż 2%C ). Klasyfikacji stali można dokonać na wiele różnych sposobów. Ze względów praktycznych najczęściej operuje się klasyfikacją stali opierając się na składzie chemicznym lub zastosowaniu.

II. Klasyfikacja stali według składu chemicznego.

Dokonując podziału stali według tego kryterium ( zgadnie z normą PN-EN 10020:2002U ) możemy wyróżnić następujące klasy stali:

- stale niestopowe, w których stężenie każdego z pierwiastków jest mniejsze od wartości granicznych,

- stale nierdzewne, zawierające ≥ 10,5% chromu i ≤ 1,2% węgla,

- inne stale stopowe, w których stężenie co najmniej jednego z pierwiastków jest równe lub większe od wartości granicznej.

Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków, stale stopowe dzieli się umownie na następujące grupy:

- niskostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka ( oprócz węgla ) nie przekracza 2%,

a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%,

- średniostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka ( oprócz węgla ) przekracza 2% lecz nie przekracza 8%, lub suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%,

- wysokostopowe, w których stężenie jednego pierwiastka przekracza 8%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 55%.

W zależności od głównego pierwiastka lub kilku pierwiastków występujących w stalach stopowych, można wydzielić następujące ich podgrupy: stale manganowe, stale krzemowe, stale manganowo-krzemowe, stale niklowe, stale chromowe, stale chromowo-niklowe, stale chromowo-molibdenowe, stale chromowo-manganowo-krzemowe, stale chromowo-niklowo-molibdenowe i inne.

III. Klasyfikacja stali według stopnia odtlenienia.

Według stopnia odtlenienia można wyróżnić następujące rodzaje stali:

- stal nieuspokojoną, w której przy krzepnięciu we wlewnicy dochodzi do reakcji węgla z rozpuszczonym tlenem, a tworzący się w wyniku tego tlenek węgla burzliwie uchodzi z ciekłej stali,

- stal półuspokojoną, w której stężenie rozpuszczonego tlenu obniżono tak, aby przy jej krzepnięciu we wlewnicy dochodziło jedynie do ograniczonej reakcji węgla a tym pierwiastkiem,

- stal uspokojoną, w której przed odlaniem do wlewnicy nie dochodzi do reakcji tlenu z węglem, a stal po wlaniu do wlewnicy zachowuje się spokojnie; odmianą tej stali jest stal uspokojona nie starzejąca się, która jest odtleniana aluminium, oprócz odtleniania krzemem.

IV. Klasy jakości stali niestopowych.

Stale niestopowe, zgodnie z normą PN-EN 10020:20002U, mogą być podzielone ze względu na klasy jakości na:

- jakościowe; w przypadku tej stali zwykle określa się tylko wymagania dotyczące niektórych własności, np. ciągliwości, podatności na obróbkę plastyczną lub wielkość ziarna, i to na poziomie niższym niż stali niestopowych specjalnych. Ogólnie, zgodnie z definicją, do stali niestopowych jakościowych zaliczane są wszystkie stale niestopowe, nie zaliczone do stali specjalnych.

- specjalne; charakteryzują się wyższym stopniem czystości i mniejszym udziałem wtrąceń niemetalicznych, niż stale jakościowe. Stale te zwykle są przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego. W wyniku ciasnych tolerancji składu chemicznego oraz zastosowania specjalnych warunków wytwarzania uzyskuje się zróżnicowane własności mechaniczne, technologiczne i użytkowe tych stali, np. wysoka wytrzymałość lub wąskie pasmo hartowności, często w połączeniu z określoną ciągliwością, spawalnością lub podatnością na odkształcenie plastyczne na zimno. Do stali specjalnych należą m.in. stale ferrytyczno-perlityczne, stale na reaktory jądrowe, stale do zbrojenia betonu i inne.

V. Klasy jakości stali stopowych.

Ze względu na klasy jakości stale stopowe dzieli się na:

- stale stopowe jakościowe,

- stale stopowe specjalne.

Jako odrębną klasę wśród stali stopowych wyróżnia się stale nierdzewne. Stale te nie są dzielone na jakościowe i specjalne lecz kryteriami ich dalszego podziału są stężenie Ni lub główna własność stali.

Dla stali stopowych jakościowych stosuje się te same kryteria klasyfikacji jak dla stali niestopowych jakościowych, z uwzględnieniem dodatkowych wymagań dotyczących stężenia pierwiastków równego lub większego od wartości granicznych. Wśród stali stopowych jakościowych wyróżnia się następujące grupy:

- stale konstrukcyjne drobnoziarniste spawalne przeznaczone na zbiorniki i rurociągi pracujące pod ciśnieniem,

- stale stopowe na szyny, grodzice, kształtowniki, na obudowy górnicze, zawierające odpowiednie pierwiastki stopowe w celu podwyższenia własności użytkowych produktów,

- stale stopowe na produkty płaskie walcowane na zimno lub na gorąco przeznaczone do dalszej obróbki plastycznej na zimno, zawierające pierwiastki rozdrabniające ziarno, w tym: bor, niob, tytan, wanad i cyrkon,

- stale elektrotechniczne, zawierające tylko krzem i aluminium jako pierwiastki stopowe, o ograniczonej stratności magnetycznej lub określonej minimalnej indukcji magnetycznej albo polaryzacji lub przenikalności magnetycznej,

- stale stopowe z miedzią jako jedynym pierwiastkiem stopowym.

Stalom stopowym specjalnym nadaje się najbardziej zróżnicowane oraz ściśle określone własności mechaniczne, technologiczne i użytkowe przez dokładne regulowanie składu chemicznego i sterowanie procesem produkcyjnym. Obejmują one wszystkie gatunki stali, które nie zostały ujęte w klasie stali nierdzewnych oraz stopowych jakościowych.

Stale stopowe specjalne dzielą się na następujące zasadnicze podklasy: stale maszynowe, stale na urządzenia ciśnieniowe, stale konstrukcyjne, stale szybkotnące, stale narzędziowe stopowe, stale na łożyska toczne, stale o szczególnych własnościach fizycznych.

Do klasy stali nierdzewnych należą stale zawierające co najmniej 10,5% chromu oraz co najwyżej 1,3% węgla. Według stężenia niklu, stale nierdzewne można podzielić na:

- zawierające < 2,5% niklu.

- zawierające ≥ 2,5 % niklu.

Przyjmując za kryterium podziału najbardziej istotną własność, stale nierdzewne dzielone są na:

- stale odporne na korozję,

- stale żaroodporne,

- stale odporne na pełzanie, określane także jako żarowytrzymałe.

VI. Stale niestopowe.

Do stali niestopowych zaliczyć możemy następujące rodzaje stali:

- stale węglowe

- stale niestopowe konstrukcyjne, maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe

Stale niestopowe konstrukcyjne są stosowane zazwyczaj na mało odpowiedzialne konstrukcje w budownictwie przemysłowym i ogólnym, których elementy są łączone przez spawanie, nitowanie lub śrubami. Normy europejskie wyróżniają spośród stali konstrukcyjnych grupę stali maszynowych, które są stosowane na elementy maszyn. Stale niestopowe konstrukcyjne są dostarczane w postaci produktów długich i płaskich, walcowanych na gorąco. Stale z tej grupy nie są zwykle poddawane obróbce cieplnej i są dostarczane w stanie po obróbce plastycznej na gorąco. Stale niestopowe konstrukcyjne należą do klasy stali jakościowych. Ich własności zależne są również od grubości produktu hutniczego. Podstawą klasyfikacji tych stali jest minimalna granica plastyczności R_e', a skład chemiczny stanowi dodatkowy przedmiot ich doboru.

Stale niestopowe są stosowane m.in. na urządzenia ciśnieniowe niepodlegające w czasie pracy dużym obciążeniom. Zwykle są to stale niskowęglowe, spawalne, stosowane w stanie wyżarzonym normalizująco lub ulepszonym cieplnie. Wymagania dotyczące stali niestopowych na urządzenia ciśnieniowe są zawarte w kilku normach.

- stale niestopowe spawalne drobnoziarniste

- stale niestopowe do ulepszania cieplnego

- stale niestopowe do nawęglania

- stale niestopowe automatowe

- stale niestopowe niskowęglowe do obróbki plastycznej na zimno

- stale niestopowe narzędziowe

Stale te są klasyfikowane na odstawie składu chemicznego, a ściślej średniego stężenia węgla. Stale narzędziowe niestopowe wysokowęglowe znajdują zastosowanie na proste narzędzia tnące do drewna, papieru i tworzyw sztucznych, takie jak pilniki, i proste narzędzia rolnicze - np. kosy lub zęby bron. Stale o mniejszym stężeniu węgla są stosowane na proste narzędzia tnące, np. piły, dłuta, oraz narzędzia pracujące udarowo, jak młotki, przecinaki i cechowniki.

Stale wysokowęglowe, po odpowiedniej obróbce cieplnej, charakteryzują się głównie dużą trwałością, a stale o niższym stężeniu węgla - nieco większą ciągliwością. Stale narzędziowe niestopowe cechują się ponadto małą hartownością i małą skłonnością do rozrostu ziarna austenitu.

- stale niestopowe do powlekania powłokami niemetalowymi

i inne.

VII. Stale stopowe.

Do stali stopowych możemy zaliczyć następujące rodzaje stali:

- stale stopowe konstrukcyjne, maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe

Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe są stosowane w budownictwie przemysłowym i ogólnym oraz w budowie maszyn i urządzeń pracujących w zakresie temp. do 25⁰ do 300⁰, w środowiskach o niewielkim działaniu korozyjnym. Kryterium doboru stali konstrukcyjnych i maszynowych stanowią najczęściej podstawowe własności mechaniczne. W przypadku obciążeń statycznych kryterium stanowi granica plastyczności R_e lub granica sprężystości R_sp - gdy niedopuszczalne jest odkształcenie plastyczne konstrukcji. W przypadku obciążeń zmęczeniowych jako kryterium przyjmuje się granicę zmęczenia Zg. Coraz częściej do oceny własności stali konstrukcyjnych oraz specjalnych przyjmuje się własności określane metodami mechaniki pękania.

- stale stopowe o podwyższonej granicy plastyczności przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno

- niskostopowe stale konstrukcyjne i na urządzenia ciśnieniowe, spawalne z mikrododatkami

Stale te są dostarczane przez hutnictwo w postaci różnorodnych kształtowników, blach, taśm, prętów, rur i drutów, powinny się cechować dobrą spawalnością, dużymi wartościami wytrzymałości R_m, granicy plastyczności R_e, oraz niską temperaturą przejścia w stan kruchy. Wymagane własności tych stali zapewnia odpowiedni dobór składu chemicznego, a także technologia wytapiania, obróbki plastycznej i cieplnej.

- stale spawalne drobnoziarniste na urządzenia ciśnieniowe

- stale maszynowe z mikrododatkami

- stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego

- stale stopowe sprężyste

Sprężyny i resory są wykonane najczęściej za stali sprężynowych. Materiał stosowany na elementy sprężyste powinien cechować się bardzo dobrymi własnościami sprężystymi tzn. wysoką granicą sprężystości R_sp oraz dużą wartością stosunków tej wielkości do granicy plastyczności R_e lub R_p0,2 i wytrzymałości na rozciąganie R_m. Pożądana jest duża wytrzymałość na zmęczenie przy ograniczonych wymaganiach dotyczących własności plastycznych.

- stale stopowe maszynowe do nawęglania

Cechuje je dobra skrawalność, odporność na przegrzanie, mała skłonność do odkształceń podczas obróbki cieplnej, hartowność dostosowania przekroju, obciążeń i cech geometrycznych wykonanych z nich elementów maszyn oraz wysokie własności wytrzymałościowe nawęglonej powierzchni i duża ciągliwość rdzenia.

- stale stopowe do azotowania

- stale stopowe na elementy łożysk tocznych

- stale stopowe stosowane na narzędzia

Stale te stanowią liczną grupę materiałów. Jakkolwiek nie stanowią dużego udziału masowego w ogólnej produkcji hutnictwa żelaza, w dużym stopniu decydują o wydajności i niezawodności produkcji w wielu gałęziach przemysłu. Dobra jakość narzędzi gwarantuje długi okres między ich kolejnymi wymianami. Trwałość narzędzi zależy przy tym od prawidłowego doboru materiału pod względem składu chemicznego i struktury. Złożony skład chemiczny , a głównie stężenie węgla i duże na ogół stężenie pierwiastków stopowych, decyduje o różnorodnym składzie i różnorodności przemian fazowych w tych stalach oraz wymaga bardzo starannego stosowania zabiegów metalurgicznych, obróbki plastycznej i cieplnej. Trwałość narzędzi jest uzależniona również od poprawnej konstrukcji, właściwego wykonania i prawidłowej eksplatacji. Stwarza to konieczność stałej kontroli jakości materiału, prawidłowości wykonania wszystkich operacji technologicznych oraz starannej eksplatacji.

Ze względu ma zastosowanie stale stopowe na narzędzia dzieli się na:

a) szybkotnące. Są stosowane głównie na wieloostrzowe narzędzia skrawające, często na narzędzia wykrojnikowe, a także na narzędzia do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco. Stale te wykazują dużą twardość i odporność na ścieranie w temperaturze ok. 600⁰C. Wymagane własności, zwłaszcza bardzo dużą hartowność oraz efekt twardości wtórnej, uzyskuje się przez odpowiednią kombinacją stężenia węgla i takich pierwiastków jak Cr, W, Mo i V, a w wielu gatunkach dodatkowo - Co.

b) do pracy na gorąco. Są stosowane na narzędzia pracujące w zakresie temperatur od 250⁰ do 700⁰C. W najniższej temperaturze pracują niektóre narzędzia kuźnicze i noże do cięcia na gorąco, w najwyższej - matryce pras kuźniczych i do wyciskania oraz formy do odlewania pod ciśnieniem.

c) do pracy na zimno. Stosowane są do narzędzi nie osiągających w czasie pracy temperatury wyższej niż 200⁰C.

- stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące

i inne.

VIII. Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach.

Do stali i stopów żelaza o szczególnych własnościach możemy zaliczyć następujące rodzaje stali:

- stale stopowe do pracy w podwyższonej temperaturze

- stale żaroodporne i żarowytrzymałe

- stale zaworowe

- stale i stopy oporowe

- stale odporne na korozję

Przyjmując za kryterium podziału odporność na korozję, można wyróżnić:

a) stale trudno rdzewiejące,

b) stale odporne na korozję

Ze względu na strukturę , stale odporne na korozję dzieli się na:

a) ferrydyczne,

b) martenzytyczne,

c) martenzytyczne umacniane wydzieleniowo

d) austenityczne,

e) ferrydyczno-autenityczne.

Stosuje się także podział stali odpornych na korozję uwzględniający ich skład chemiczny, wyróżniając m.in. stale:

a) wysokochromowe,

b) chromowo-niklowe,

c) chromowo-niklowo-manganowe.

- stale do pracy w obniżonej temperaturze

- stale odporne na ścieranie

- stale o szczególnych własnościach magnetycznych

i inne.

IX. Odlewnicze stopy żelaza.

1. Staliwa niestopowe.

Ważnym materiałem konstrukcyjnym, stosowanym w postaci odlewów jest staliwo niestopowe. Otrzymuje się je w wyniku odlewania do form, w których krzepnie uzyskując wymagany kształt użytkowy.

Staliwa niestopowe (węglowe) dzieli się na dwie grupy podlegające odpowiedniemu odbiorowi:

- na podstawie własności mechanicznych

- na podstawie własności mechanicznych oraz składu chemicznego.

Własności staliw, podobnie jak stali węglowych i niestopowych, zależą głównie od stężenia węgla. Staliwa, szczególnie niskowęglowe i średniowęglowe, cechują się dobrą spawalnością. Korzystny zespół własności mechanicznych i technologicznych decyduje o stale rosnącym udziale produkcji staliwa w ogólnej produkcji stopów żelaza z węglem.

Składnikami strukturalnymi występującymi w staliwie niestopowym są ferryt i perlit.

2. Staliwa stopowe.

Staliwa stopowe zawierają dodatki stopowe o stężeniu przekraczającym wartości graniczne takie same jak dla stali stopowych. Ze względu na zastosowanie, staliwa stopowe dzieli się na konstrukcyjne, odporne na ścieranie, odporne na korozję, żaroodporne i żarowytrzymałe oraz narzędziowe. Gdy łączne stężenie dodatków stopowych nie przekracza 2,5%, staliwo jest uważane za niskostopowe, gdy zawarte jest w przedziale 2,5-5% - za średniostopowe, a przy stężeniu większym niż 5 % - za wysokostopowe.

3. Żeliwa niestopowe.

Do materiałów odlewniczych najpowszechniej stosowanych w budowie maszyn należy żeliwo. Decydują o tym m.in.: stosunkowo niski koszt produkcji, niska temperatura topnienia, dobre własności wytrzymałościowe oraz dobra skrawalność.

Żeliwo zawiera ok.2-4% węgla. W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel, rozróżnia się żeliwa:

- szare, w których węgiel jest w postaci grafitu,

- białe ,w których węgiel jest związany w cementycie,

- połowiczne ( pstre ), w których występuje zarówno cementyt, jak i grafit.

W wyniku celowych zabiegów technologicznych w czasie procesów metalurgicznych grafit może zostać rozdrobniony w przypadku żeliwa modyfikowanego lub doprowadzony do postaci kulistej - w przypadku żeliwa sferoidalnego.

Żeliwo szare niestopowe można podzielić na trzy grupy:

- żeliwo szare zwykłe

Może cechować się strukturą osnowy: ferrydyczną, ferrytyczno- perlityczną oraz perlityczną. W strukturze żeliwa szarego - poza osnową metaliczną - występuje również grafit płatkowy, steadyt oraz wtrącenia niemetaliczne.

- żeliwo modyfikowane

Najkorzystniejsze własności ma żeliwo modyfikowane o osnowie perliycznej. Jego wytrzymałość na rozciąganie R_m może wynosić od 300 do 400MPa. Żeliwo modyfikowane, podobnie jak żeliwo szare zwykłe, wykazuje bardzo niskie własności plastyczne.

- żeliwo sferoidalne

Ma bardzo dobre własności zarówno wytrzymałościowe, jak i plastyczne.

4. Żeliwa stopowe.

Do żeliw stopowych, są wprowadzane dodatki stopowe, występujące oprócz domieszek. Pierwiastki te są dodawane w celu polepszenia własności użytkowych żeliw a w szczególności:

- zwiększenia własności mechanicznych,

- zwiększenia odporności na ścieranie,

- polepszenia odporności na działanie korozji elektrochemicznej,

- polepszenia odporności na działanie korozji gazowej w podwyższonej temperaturze,

- polepszenia własności fizycznych.

Skład chemiczny żeliw jest tak dobierany, aby w wyniku dodania pierwiastków stopowych nie zmienić niekorzystnie ich struktury i własności. Z tego względu należy dobierać odpowiednio dodatki o działaniu grafityzującym i zabielającym.

Wśród licznej grupy żeliw stopowych możemy wyróżnić:

- żeliwa stopowe o podwyższonej odporności na ścieranie,

- żeliwa stopowe żaroodporne i żarowytrzymałe,

- żeliwa stopowe odporne na korozję,

- żeliwa stopowe do pracy w niskiej temperaturze,

- żeliwa stopowe o specjalnych własnościach fizycznych.

X. Aluminium i jego stopy.

Aluminium należy do grupy metali o bardzo dużym znaczeniu technicznym. Występuje w przyrodzie w bardzo wielu minerałach i jest trzecim pierwiastkiem pod względem udziału w skorupie ziemskiej. Jego główną rudą jest boksyt, z którego wytwarza się czysty tlenek Al₂O₃.

Stosunkowo niskie własności wytrzymałościowe aluminium można zwiększyć przez wprowadzenie pierwiastków stopowych oraz obróbkę cieplną stopów. W porównaniu ze stalami stopy aluminium charakteryzują się znacznie mniejszą masą, a w niskiej temperaturze - większą udarnością.

Najogólniej - ze względu na sposób wytwarzania - stopy aluminium dzieli się na:

- do obróbki plastycznej,

- odlewnicze.

Niektóre z tych stopów mogą być stosowane zarówno jako odlewnicze jak i przeznaczone do obróbki plastycznej.

1. Stopy aluminium z krzemem.

Podstawową grupę stopów Al z Si stanowią stopy odlewnicze zwane siluminami, o stężeniu od 2 do 30 % Si. Krzem jako podstawowy składnik tych stopów, zapewnia dobrą rzadkopłynność oraz lejność i mały skurcz odlewniczy. Część stopów zawierająca ponad 4% Si może być także stosowana po obróbce plastycznej.

Siluminy o składzie eutektycznym charakteryzują się bardzo dobrymi własnościami odlewniczymi, nie wykazują skłonności do pękania na gorąco.

Siluminy mogą być również stopami wieloskładnikowymi. Zawierają wówczas dodatki Cu, Mg i Mn, zwiększające wytrzymałość.

Siluminy eudyktyczne i nadeudyktyczne wykazujące znaczną żarowytrzymałość są stosowane na wysoko obciążone tłoki silników spalinowych. Ze stopów podeudyktycznych wytwarza się silnie obciążone elementy dla przemysłu okrętowego i elektrycznego.

2. Stopy aluminium z magnezem.

W stopach przemysłowych Al. Z Mg stężenie Mg jest zawarte w przedziale od 0,5 do ok. 13%. Stopy o małym stężeniu Mg wykazują dużą podatność na obróbkę plastyczną, a o dużym stężeniu - bardzo dobre własności odlewnicze.

Stopy aluminium z Mg - oprócz siluminów - są najczęściej stosowanymi stopami odlewniczymi. Wykazują bowiem największą spośród stopów z aluminium odporność na korozję i najmniejszą gęstość. Własności odlewnicze tych stopów są jednak gorsze niż siluminów.

Stopy Al. z Mg do obróbki plastycznej, zwane zwyczajowo hydronaliami, zawierają 0,4 do 5,6 % Mg, a także niewielki dodatek Mn, niekiedy Si, Cr, Fe lub Pb. Charakteryzują się podwyższonymi własnościami mechanicznymi, odpornością na korozję w środowisku wody i atmosfery morskiej oraz dobrą spawalnością i podatnością na głębokie tłocznie.

3. Stopy aluminium z miedzią.

Odlewnicze stopy Al. z Cu zawierają do ok. 5% Cu, niekiedy dodatek Ti, wpływający na rozdrobnienie ziarn i zwiększenie lejności. Są stosowane rzadziej niż stopy Al. z Si ze względu na trudności technologiczne związane z wytwarzaniem odlewów.

Stopy aluminium z Cu i Mg oraz niewielkim dodatkiem Mn albo Fe, lub Si są nazywane duraluminem lub duralami miedziowymi. Zwiększenie stężenia Cu oraz Mg powoduje podwyższenie własności wytrzymałościowych i zmniejszenie własności plastycznych oraz podatności durali na obróbkę plastyczną.

Wieloskładnikowe stopy Al. z Cu zawierają - oprócz Mg, Si i Mn - także Fe, Ni, Ti, Zr lub Li, cechują się dobrymi własnościami mechanicznymi zarówno w temperaturze pokojowej, jak i podwyższonej.

4. Wieloskładnikowe stopy aluminium z cynkiem.

Czteroskładnikowe stopy Al. z Zn, zawierające Mg i Cu, zwane duralami cynkowymi, wykazują najwyższe własności wytrzymałościowe ze wszystkich stopów aluminium. W stanie utwardzonym wydzieleniowo ich wytrzymałość na rozciąganie Rm osiąga ok.700 Mpa, a granica plastyczności R_p0,2 ok. 600 MPa. Ograniczenie ich stosowania jest związane z małą odpornością na działanie podwyższonej temperatury. Durale cynkowe są także mało odporne na korozję.

5. Stopy aluminium z manganem.

Techniczne stopy Al. z Mn zawierają zwykle 1,0 do 1,5% Mn oraz dodatek Mg lub Cu.

Obróbka cieplna stopów aluminium z manganem polega na wyżarzaniu ujednorodniającym i rekrystalizującym.

Dzięki dobrej odporności na korozję stopy aluminium z manganem znajdują zastosowanie na elementy pracujące w agresywnych ośrodkach korozyjnych, w szczególności na urządzenia produkcyjne i transportowe w przemyśle spożywczym i chemicznym, a także spawane zbiorniki na ciecze i gazy techniczne oraz inne elementy spawane lub zgrzewane.

6. Wieloskładnikowe stopy aluminium z litem.

Lit w stężeniu 1,9 do 2,7% jest stosowany w stopach Al do obróbki plastycznej jako pierwiastek stopowy wraz z Cu oraz zwykle z Mg, zmniejszającymi jego rozpuszczalność w roztworze stałym i wchodzącymi w skład faz międzymetalicznych.

Wytwarzanie stopów Al. z Li wymaga stosowania specjalnych metod metalurgicznych, ze względu na bardzo dużą reaktywność lutu z tlenem. Ponieważ lit powoduje zwiększenie własności wytrzymałościowych przy jednoczesnym zmniejszeniu gęstości stopów Al., stopy te stosowane są przede wszystkim do wytwarzania elementów nowoczesnych samolotów.

XI. Miedź i jej stopy.

Miedź występuje w przyrodzie w postaci rodzimej oraz w rudach siarczkowych błyszczku miedzi, czyli chalkozynie, bornicie, chalkopirycie, lub rudach tlenkowych, np. kurycie.

Miedź stosowana jest w elektrotechnice na przewody, gdzie wykorzystuje się jej wysoką przewodność elektryczną oraz w energetyce i przemyśle chemicznym na chłodnice i wymienniki ciepła. W budownictwie są stosowane rury z miedzią, z których wykonuje się instalacje ciepłej i zimnej wody, ogrzewania, gazowe itp.

Stopy miedzi dzieli się na:

- odlewnicze,

- przeznaczone do obróbki plastycznej.

Wyróżnia się następujące grupy stopów miedzi:

- z cynkiem

- z cynkiem i ołowiem

- z cynkiem i niklem,

- z niklem,

- z cyną,

- z aluminium,

- z innymi pierwiastkami stopowymi, których łączne stężenie przekracza 5%,

- niskostopowe, w których stężenie pierwiastków stopowych jest mniejsze niż 5%.

Stopy miedzi - w zależności od tego, czy oprócz głównego dodatku zawierają jeszcze inne pierwiastki stopowe - mogą być:

- dwuskładnikowe,

- wieloskładnikowe.

Większość stopów miedzi ma swoje tradycyjne nazwy. Mosiądze to stopy zawierające Zn jako główny dodatek stopowy, miedzionikle - stopy, w których głównym dodatkiem jest nikiel, natomiast brązy to stopy miedzi zawierające ponad 2% dodatków stopowych, spośród których głównym nie jest Zn lub Ni. Brązy, w zależności od głównego dodatku stopowego dzieli się na m.in.: cynkowe, aluminiowe, berylowe, ołowiowe. Tradycyjne nazwy stopów miedzi nie są używane w nowych normach, a podawane są tylko określenia związane ze składem stopów, np. stopy miedzi z cyną lub stopy miedzi z niklem. W grupie stopów miedzi niskostopowych umieszczono tak zróżnicowane stopy jak miedzi z berylem, i miedzi z 0,5% Zn.

1.Stopy miedzi z cynkiem.

Stopy miedzi z cynkiem nazywane są mosiądzami. Mosiądze dwuskładnikowe - ze względu na skład fazowy - dzieli się na :

- jednofazowe - o strukturze α i stężeniu od 2 do 39 % Zn,

- dwufazowe o strukturze mieszaniny α+ß i stężeniu od 39 do 45% Zn.

Mosiądze zawierające od 5 do 20% Zn są nazywane tradycyjnie tombakami.

2. Stopy miedzi z niklem i cynkiem.

Stopy miedzi z niklem i cynkiem są stopami wieloskładnikowymi, tradycyjnie zwanymi mosiądzami wysokoniklowymi lub ze względu na jasną barwę - nowymi srebrami. Stopy te wykazują wysokie własności mechaniczne, dobrą podatność na obróbkę plastyczną na zimno i na gorąco, dobrą odporność na korozję.

Dobre własności mosiądzów wysokoniklowych powodują szerokie ich zastosowanie w przemyśle maszynowym, elektrochemicznym, precyzyjnym, chemicznym, sanitarnym i architekturze.

3. Stopy miedzi z niklem.

Ważną grupę technicznych stopów miedzi przeznaczonych do obróbki plastycznej stanowią stopy miedzi z niklem, nazywane tradycyjnie miedzioniklami. Stopy te, których głównym składnikiem jest nikiel o stężeniu do 40%, zawierają także 1 do 2 % Si, Al., Fe lub Mn. Nikiel powoduje podwyższenie własności mechanicznych, odporności na korozję, rezystywności oraz siły termoelektrycznej miedzionikli.

4. Stopy miedzi z cyną.

Techniczne stopy Cu z Sn, nazywane tradycyjnie brązami cynowymi, mają zazwyczaj strukturę roztworu α. Duży zakres temp. krystalizacji brązów o strukturze α sprzyja jednak ich skłonności do segregacji.

Brązy cynowe wykazują dobrą odporność na korozję, szczególnie w środowisku atmosfery przemysłowej i wody morskiej. Odporność ta ulega polepszeniu wraz ze zwiększeniem stężenia Sn, lecz do wartości nie większej od zapewniającej wystąpienie struktury dwufazowej, decydującej o ułatwieniu korozji.

5. Stopy miedzi z cyną i fosforem.

W brązach do obróbki plastycznej stężenie P nie może przekraczać 0,4%, gdyż pierwiastek ten bardzo niekorzystnie wpływa na plastyczność, zwiększając jednak własności wytrzymałościowe i odporności brązów na ścieranie. Brązy cynowo-fosforowe są stosowane na panewki, koła ślimakowe, sprężyny.

6. Wieloskładnikowe stopu miedzi z cyną.

W celu polepszenia niektórych własności oraz zaoszczędzenia Sn są produkowane stopy zawierające oprócz Cu i Sn dodatki Zn lub Pb, nazywane brązami cynowymi wieloskładnikowymi. Dodatek Zn przeciwdziała segregacji brązów cynowych przez zmniejszenie zakresu temperatury krystalizacji fazy α, sprzyjając ujednorodnieniu ich własności mechanicznych i zwiększeniu własności wytrzymałościowych.

7. Stopy miedzi z aluminium.

Stopy te nazywane są brązami aluminiowymi

Dwuskładnikowe brązy aluminiowe zawierają do 8% Al. i ze względu na dużą plastyczność mogą być obrabiane plastycznie na zimno i na gorąco.

Własności mechaniczne brązów aluminiowych zwiększają dodatki stopowe, głównie Fe, Mn, Ni. Pierwiastki Fe i Ni powodują podwyższenie własności wytrzymałościowych i odporności na ścieranie w wyniku działania modyfikującego i sprzyjania drobnoziarnistości stopów.

8. Stopy miedzi z berylem.

Stopy Cu z Be, nazywane tradycyjne brązami berylowymi, zawierają do 2,1% głównego pierwiastka stopowego, Często Co i Ni, a niekiedy do 0,25% Ti. W normach europejskich są klasyfikowane w grupie stopów miedzi niskostopowych. Stopy te są brązami o najwyższych własnościach mechanicznych oraz odporności na korozję i ścieranie. Cechują się dużą przewodnością cieplną i elektryczną, brakiem skłonności do iskrzenia oraz dobrą podatnością na obróbkę plastyczną na zimno i na gorąco.

9. Stopy miedzi z krzemem.

Techniczne stopy Cu z Sn nazywane są brązami krzemowymi, wykazują strukturę jednofazową roztworu α, stężenie Si w stopach dwuskładnikowych nie przekracza 3 do 4 %. Jednofazowa struktura zapewnia brązom krzemowym duże własności plastyczne, przy czym Si powoduje zwiększenie ich odporności na korozję. Praktyczne zastosowanie znalazły głównie brązy krzemowe wieloskładnikowe zawierające dodatki Mn, Fe, Zn, Ni niekiedy także Co i Cr.

10. Stopy miedzi z manganem.

Stopy Cu z Mn, nazywane brązami manganowymi zawierają zwykle 5 do 6 lub 12 do 15 % Mn i są przeznaczone do obróbki plastycznej. Najczęściej stosuje się stopy wieloskładnikowe, oprócz Mn zawierające Ni, w niektórych gatunkach także Si lub Al.

XII. Inne metale nieżelazne i ich stopy.

1. Nikiel i jego stopy.

Nikiel ma liczbę atomową różną 28, a masę atomową - 58,6934. Nie wykazuje odmian alotropowych, krystalizując w sieci ściennie centrowanej układu regularnego A1, co decyduje o tym że metal ten jest podatny na obróbkę plastyczną zarówno na zimno jak i na gorąco.

Ze względu na zastosowanie stopy niklu można podzielić na : konstrukcyjne, oporowe, o szczególnych własnościach fizycznych, w tym stopy magnetyczne miękkie, odporne na korozję i żarowytrzymałe. Ponadto niektóre stopy niklu znajdują zastosowanie jako stopy z pamięcią kryształu.

2. Kobalt i jego stopy.

Liczba atomowa kobaltu wynosi 27, a masa atomowa 58,9332. Temperatura topnienia kobaltu osiąga 1494⁰C, a temperatura wrzenia 2900⁰C. Kobalt wykazuje dwie odmiany alotropowe.

Dwuskładnikowe stopy kobaltu nie znalazły szerszego zastosowania. Żarowytrzymałe stopy kobaltu zawierają zwykle kilka spośród następujących pierwiastków: Fe, Ni, Si, Mn, Ti, W, V, Be, Ta oraz C,B lub N. Stopy żarowytrzymałe, do których należą stopy typu Haynes, charakteryzują się dużą wytrzymałością na pełzanie. Wykazują jednak małą plastyczność i z tego względu są stosowane przeważnie w stanie lanym , głownie na elementy maszyn do pracy w podwyższonej temperaturze.

3. Tytan i jego stopy.

Tytan jest podstawowym składnikiem wielu opracowanych i stosowanych w przemyśle stopów zawierających od jednego do kilku pierwiastków stopowych, w stężeniu od dziesiątych części % do kilkudziesięciu %. Kształtowanie zmian struktury krystalograficznej przez dodatki stopowe i procesy cieplno - mechaniczne stanowi podstawę rozwoju stopów tytanu ich własności w szerokim zakresie.

Stopy tytanu są umacniane przez dodatki pierwiastków stopowych np. Al., Mo, Cr, Si.

Stopy tytanu charakteryzują się kombinacją własności wyróżniających je spośród innych materiałów- wysoką wytrzymałością względną i żarowytrzymałością w połączeniu z dobrą odpornością na korozję. Są one stosowane w przemyśle środków transportu, głównie lotniczym i okrętowym, chemicznym na elementy aparatury chemicznej, spożywczym itd.

4. Beryl i jego stopy.

Znaczenie techniczne moją stopy berylu z pierwiastkami a bardzo małej rozpuszczalności, które tworzą mieszaniny. Znaczenie mają stopy Be-Al., zawierające 24 do 43 % Al. Osnowę tych stopów stanowi plastyczna i miękka mieszaniną eutekyczna, w której krystalizują twarde i kruche kryształy berylu.

Stopy berylu znajdują zastosowanie w technice lotniczej i kosmicznej, lecz ze względu na dużą kruchość, głównie na elementy pracujące na ściskanie. Beryl umożliwia 3-krotne obniżenie masy w porównaniu z aluminium i magnezem, 4-krotne w stosunku do tytanu i 5-krotne w stosunku do stali.

5. Magnez i jego stopy.

Stopy Mg cechuje mała gęstość - ok. 1,8 g/cm³ i korzystne własności mechaniczne w tym R_m = 300 do 350 Mpa. Z tego względu stopy magnezu znalazły zastosowanie w budowie samolotów, przemyśle motoryzacyjnym, do wytwarzania aparatury automatycznej oraz na elementy sprzętu domowego i maszyn biurowych. W zależności od sposobu wytwarzania stopy Mg dzieli się na odlewnicze i przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco.

Głównym dodatkiem w stopach Mg jest Al. - w stężeniu 3 do 11 %. Aluminium zwiększa wytrzymałość i wydłużenie stopów odlewniczych Mg, poprawia też lejność i zmniejsza skurcz. Oprócz Al. do stopów Mg często dodawany Zn, w stężeniu zwykle nieprzekraczającym 5%.

XIII. Przykładowe struktury metali i ich stopów.

W czasie zajęć obserwowaliśmy struktury metali i ich stopów wykorzystując do tego celu mikroskop świetlny, połączony z kamerą i projektorem obrazu.

Obserwowanymi strukturami były:

1. Stal odporna na korozję X20Cr13 ( martenzyt wysoko rozpuszczony ).

2. Stal odporna na korozję.

3. Żeliwo białe.

4. Stop tytanu. TiAl4V.

5. Stop miedzi z cynkiem CuZn37.

6. Stop miedzi z aluminium CuAl10Ni5Fe4.

7. Stop aluminium z magnezem AlMg2

XIV. Porównanie podstawowych własności metali i ich stopów.

Porównania dokonujemy na podstawie mapek M.F.Asby'ego.

1. Porównanie gęstości i wytrzymałości materiałów.

Rodzaj materiału	Gęstość [ g/cm^3]	Wytrzymałość [ MPa ]
Stopy Mg	2 - 2,1 ( NM )	95 - 500
Stopy Al	2,7 - 2,9	50 - 800
Stopy Zn	7,7 - 8	95 - 300
Stopy Pb	13 - 16	35 - 75 ( NM )
Stopu Cu	8 - 10	90 - 1000
Stopu Ni	8 - 9	300 - 2800
Stopy Mo	14 - 16	550 - 3000
Stopy W	18 - 21 ( NW )	1000 - 3000
Stale	8,5 - 9	500 - 3200 ( NW )
Żeliwa	8,5 - 9	75 - 500
Stopy Ti	4,4 - 4,6	600 - 1000

NW - największa wartość, NM - najmniejsza wartość

2. Porównanie wytrzymałości i odporności na pękanie materiałów.

Rodzaj materiału	Odporność na pękanie [ MPa · m^1/2]	Wytrzymałość [ MPa ]
Stopy Mg	9,5 - 20	90 - 300
Stopy Al	15 - 55	65 - 800 ( NM )
Stopu Cu	43 - 100	80 - 530
Stopu Ni	70 - 250	430 - 1500
Stopy W	15 - 30	700 - 1100
Stale	50 - 300 ( NW )	250 - 4000 ( NW )
Żeliwa	7 - 20 ( NM )	70 - 500
Stopy Ti	80 - 200	550 - 900

NW - największa wartość, NM - najmniejsza wartość

3. Porównanie odporności na pękanie i gęstości materiałów.

Rodzaj materiału	Gęstość [ g/cm^3]	Odporność na pękanie [ MPa · m^1/2]
Stopy Mg	2 - 2,1 ( NM )	20 - 30
Stopy Al	2,9 - 3	20 - 80
Stopu Cu	9 - 10	70 - 200
Stopu Ni	7 - 10	80 - 180
Stopy Ti	5 - 5,5	75 - 150
Stopy W	17 - 23 ( NW )	25 - 500 ( NW )
Stale	8,5 - 9	30 - 400
Żeliwa	8 - 8,5	8 - 25 ( NM )

NW - największa wartość, NM - najmniejsza wartość

4. Porównanie modułu sprężystości i gęstości materiałów.

Rodzaj materiału	Gęstość [ g/cm^3]	Moduł sprężystości [ GPa]
Stopy Mg	2 - 2,1 ( NM )	50 - 55
Stopy Al	2,2 - 3	45 - 130
Ge	6 - 6,5	100 - 200
Stopy Zn	6,8 - 7	100 - 150
Stopy Pb	8,5 - 11	12 - 15 ( NM )
Stopu Cu	7,2 - 7,7	100 - 200
Stopy Ti	4,5 - 5	150 - 200
Stopu Ni	7,5 - 8	300 - 400
Stopy Sn	7 - 7,5	55 - 70
Stopy Mo	9,5 - 12	430 - 500 ( NW )
Stopy W	13 - 20 ( NW )	400 - 480
Stale	7,2 - 7,5	320 - 380

NW - największa wartość, NM - najmniejsza wartość

5. Porównanie modułu sprężystości i współczynnika tłumienia materiałów.

Rodzaj materiału	Współczynnik tłumienia w 30^0C	Moduł sprężystości [ GPa]
Stopy Mg	0,00009 - 0,2 ( NW )	60 - 65
Stopy Al	0,00008 - 0,002	85 - 90
Mn - Cu	0,07 - 0,2	300 - 350
Stopy Zn	0,002 - 0,008	63 - 70
Stopy Pb	0,003 - 0,07	20 - 30 ( NM )
Stopu Cu	0,00003 - 0,03	200 - 300
Stopy Ti	0,00009 - 0,01	100 - 200
Stale odporne na korozję	0,0002 - 0,0007	500 - 650 ( NW )
Stale stopowe	0,00003 - 0,005 ( NM )	450 - 500
Stale wysokowęglowe	0,00003 - 0,005 ( NM )	450 - 500
Stale niskowęglowe	0,00003 - 0,005 ( NM )	450 - 500
Żeliwa	0,008 - 0,05	300 - 340

NW - największa wartość, NM - najmniejsza wartość

6. Porównanie wytrzymałości materiałów w podwyższonej lub obniżonej temperaturze.

Rodzaj materiału	Temperatura [ ^0C ]	Wytrzymałość w podwyższonej lub obniżonej temp. [ MPa]
Stopy Mg	100 - 300	70 - 250 ( NM )
Stopy Al	(-70) - 230	95 - 550
Stopy Ni	350 - 1000 ( NW )	90 -900
Stopy Zn	(-70) - 120 ( NM )	150 - 500
Stale	200 - 800	80 - 1000 ( NW )
Stopy Ti	220 - 700	70 - 800

NW - największa wartość, NM - najmniejsza wartość

7. Porównanie przewodności cieplnej i rozszerzalności cieplnej materiałów.

Rodzaj materiału	Współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej [ 10^-6 K^-1]	Przewodność cieplna [ W/(m·K) ]
Stopy Mg	4 - 5	80 - 250
Stopy Al	4 - 5	100 - 500
W	0,65 - 0,8	250 - 350
Mo	0,7 - 0,8	150 - 270
Ta	0,75 - 0,8	85 - 100
Stopy Zn	4,8 - 5,8 ( NW )	100 - 250
Ge	0,7 - 0,8	70 - 80
Ag	3 - 4	500 - 600 ( NW )
Stopu Cu	2,5 - 4	95 - 550
Stopu Ni	1 - 3	20 - 90
Au	2 - 3	300 - 500
Be	1 - 2,5	200 - 300
Stale	1 - 3,5	20 - 90
Żeliwa	1 - 3,5	10 - 50
Stopy Ti	0,8 - 1	7 - 45 ( NM )
INWAR	0,03 - 0,1 ( NM )	8 - 40

NW - największa wartość, NM - najmniejsza wartość

8. Porównanie wytrzymałości i energochłonności właściwej.

Rodzaj materiału	Energochłonność właściwa [ GJ/m^3]	Wytrzymałość [ Mpa ]
Stopy Pb	480 - 580 ( NM )	40 - 80 ( NM )
Stopy Zn	500 - 650	100 - 300
Żeliwa	900 - 1000	50 - 850
Stopy Mg	850 - 950	100 - 500
Stopy Al	900 - 1000	50 - 850
Stopy Cu	870 - 1900	95 - 1500
Stopy Ti	4500 - 5500 ( NW )	700 - 1500
Stale	500 - 2000	350 - 4000 ( NW )

NW - największa wartość, NM - najmniejsza wartość

9. Porównanie wytrzymałości i względnego kosztu na jednostkę.

Rodzaj materiału	Względny koszt na jednostkę objętości	Wytrzymałość [ Mpa ]
Stopy Pb	50 - 70	40 - 65 ( NM )
Stopy Cu	60 - 90	85 - 700
Stopy Zn	30 - 55	100 - 500
Stopy Mg	35 - 50	100 - 480
Stopy W	900 - 2500 ( NW )	700 - 2000
Stopy Ni	200 - 500	500 - 2000
Stopy Ti	100 - 250	450 - 1500
Stale	8 - 90	200 - 2500 ( NW )
Stopy Al	11 - 13	80 - 800
Żeliwa	5,5 - 10 ( NM )	95 - 700

NW - największa wartość, NM - najmniejsza wartość

10. Porównanie współczynnika zużycia materiałów stosowanych na łożyska w zależności od nośności łożysk.

Rodzaj materiału	Ujednorodniony współczynnik zużycia [ m^2/N ]	Nośność łożyska [ MN/m^2 ]
Stopy Al	10^-12 - 10^-11( NW )	35 - 75 ( NM )
Cu	10^-12,5 - 10^-11,5	50 - 90
Stale miękkie	10^-13 - 10^-12	55 - 150
Stale odporne na korozję	10^-13,3 - 10^-12	80 - 300
Stale średniowęglowe	10^-13,6 - 10^-12,5	95 - 550
Stale wysokowęglowe	10^-14,2 - 10^-^13	300 - 800
Stale narzędziowe	10^-14,2 - 10^-13	550 - 1000 ( NW )
Stale azotowe	10^-15 - 10^-13,8	200 - 550
Brąz	10^-16 - 10^-14,8( NM )	100 - 500
Żeliwa	10^-15,5 - 10^-13,5	90 - 400

NW - największa wartość, NM - najmniejsza wartość

11. Porównanie odporności różnych materiałów na oddziaływanie aktywnych środków chemicznych oraz promieniowania nadfioletowego.

Rodzaj materiału	Solanka	Woda napowietrzona	Silne kwasy	Promieniowanie nadfioletowe	Silne zasady	Roztwory organiczne
Stal węglowa	C-D	C	B-C	A	--	A
Stale niskostopowe	C	A	B-C	A	--	A
Stopy Al	B	B-C	B	A	C-D	A
Żeliwa	B	B	C-D	A	A-B	A
Stopy Pb	A	A	A	A		A
Stopy Ni	A	A	A-B	A	A-B	A
Stopy Cu	A-B	B	--	A	B-C	A
Stale odporne na korozję	A	A	B	A	A-B	A
Stopy Ti	A-B	A	A	A	A	A

Odporność na korozję:

A - bardzo dobra

B - dobra

C - słaba

D - zła

- 17 -

---