|
Arabic
Bengali
Chinese
English
French
German
Hebrew
Hindi
Italian
Japanese
Korean
Malay
Polish
Portuguese
Spanish
Turkish
Ukrainian
Vietnamese
Notatki z wykładów, ściągawki
Inżynieria materiałowa. Ściągawka: krótko, najważniejsza
Katalog / Notatki z wykładów, ściągawki Spis treści
1. Przedmiot materiałoznawstwa; współczesna klasyfikacja materiałów, główne etapy rozwoju materiałoznawstwa Materiałoznawstwo zajmuje się badaniem składu, struktury, właściwości i zachowania materiałów w zależności od wpływów środowiska. Oddziaływanie może być termiczne, elektryczne, magnetyczne itp. Każdy element konstrukcji lub konstrukcji poddawany jest obciążeniom zarówno od innych elementów, jak i od środowiska zewnętrznego. Klasyfikacja materiałów: materiały metalowe, niemetaliczne i kompozytowe. Materiały metalowe dzielą się na metale nieżelazne, materiały proszkowe. Materiały niemetalowe: guma, szkło, ceramika, tworzywa sztuczne, ceramika szklana. Materiały kompozytowe to materiały kompozytowe, które zawierają dwa lub więcej materiałów (włókno szklane). Istnieje klasyfikacja materiałów w zależności od rodzaju półfabrykatów: arkusze, proszki, granulaty, włókna, profile itp. Podstawą klasyfikacji według struktury jest technika tworzenia materiałów. Materiały metaliczne dzieli się na grupy w zależności od składnika, na którym się znajdują. Materiały hutnictwa żelaza: stal, żeliwo, żelazostopy, stopy, których głównym składnikiem jest żelazo. Materiały hutnictwa metali nieżelaznych: aluminium, miedź, cynk, ołów, nikiel, cyna. Podstawą nowoczesnej technologii są metale i stopy metali. Obecnie metale są najbardziej wszechstronną klasą materiałów pod względem zastosowania. W celu poprawy jakości i niezawodności produktów wymagane są nowe materiały. Do rozwiązania tych problemów stosuje się materiały kompozytowe, polimerowe i proszkowe. Metale to substancje, które mają ciągliwość, połysk, przewodność elektryczną i przewodność cieplną. W inżynierii wszystkie materiały metalowe nazywane są metalami i dzielą się na dwie grupy. Metale nieszlachetne - metale, które mają niewielką ilość zanieczyszczeń innych metali. Metale złożone - metale będące połączeniem prostego metalu jako bazy z innymi pierwiastkami. Trzy czwarte wszystkich pierwiastków w układzie okresowym to metale. Nauka o materiałach lub nauka o materiałach rozwijała się od czasów starożytnych. Pierwszy etap rozwoju materiałoznawstwa rozpoczyna się od wyspecjalizowanej produkcji ceramiki. Szczególny wkład w rozwój materiałoznawstwa w Rosji wniósł M.V. Łomonosow (1711-1765) i D.I. Mendelejew (1834-1907). Łomonosow opracował kurs chemii fizycznej i atomistyki chemicznej, potwierdził teorię atomowej i molekularnej struktury materii. Mendelejewowi przypisuje się rozwój układu okresowego pierwiastków. Obaj naukowcy poświęcili wiele uwagi problemowi produkcji szkła. W XNUMX-stym wieku wkład w rozwój materiałoznawstwa wniósł F.Yu. Levinson-Lessing, E.S. Fiodorow, W.A. Obruchev, A.I. Fersman, N.N. Belelubski. Produkowane są nowe materiały: cement portlandzki, nowe gipsy, betony cementowe, materiały polimerowe itp. W inżynierii mechanicznej metale i stopy metali są szeroko stosowane, dlatego metaloznawstwo jest ważną częścią materiałoznawstwa. Metaloznawstwo jako nauka powstała w Rosji w XIX wieku i jest naukową podstawą rozwoju nowych optymalnych procesów technologicznych: obróbki cieplnej, odlewania, walcowania, tłoczenia, spawania. Połączenie wysokiej wytrzymałości i twardości z dobrą ciągliwością, ciągliwością i skrawalnością, niespotykane w innych materiałach, było powodem zastosowania metali jako głównego materiału konstrukcyjnego we wszystkich dziedzinach techniki. Po raz pierwszy istnienie związku między strukturą stali a jej właściwościami ustalił wybitny rosyjski naukowiec P.P. Anosow (1799-1851), który ujawnił dawno zaginiony sekret wytwarzania i pozyskiwania przez starożytnych mistrzów wschodniej stali damasceńskiej, używanej do produkcji ostrzy. Stal adamaszkowa Anosowa była znana na całym świecie, a nawet eksportowana za granicę. Ostrza wykonane z tej stali wyróżniały się wysoką twardością i wytrzymałością. P.P. Anosov uważany jest za „inicjatora” produkcji stali wysokiej jakości, jako pierwszy użył mikroskopu do określenia struktury stali i zainicjował badanie regularnych zależności między strukturą a właściwościami stopów. Założyciel metalurgii naukowej D.K. Czernow (1839-1921), który w 1868 r. odkrył przemiany fazowe w stali. Odkrycie D.K. Punkty krytyczne Czernowa a i b (według współczesnego oznaczenia A1 i A3) zrewolucjonizowały wiedzę o naturze stopów metali i umożliwiły wyjaśnienie szeregu „tajemniczych” zjawisk zachodzących podczas obróbki cieplnej stali. Ogromny wkład w rozwój nauki o metalach wniósł N.S. Kurnakow, A.A. Bajkow, NT Gudcow, A.A. Bochnar, G.V. Kurdyumow, S.S. Shteyiberg, A.P. Gulajew, a także inni radzieccy naukowcy. Duże znaczenie w rozwoju metaloznawstwa i obróbki cieplnej miały prace Osmonda (Francja), Seitza, Baina i Meila (USA), Tammanna i Hahnemanna (Niemcy). W XX wieku dokonano znaczących osiągnięć w teorii i praktyce materiałoznawstwa, stworzono materiały o wysokiej wytrzymałości na narzędzia, opracowano materiały kompozytowe, odkryto i wykorzystano właściwości półprzewodników, metody wzmacniania części termicznie i chemicznie. poprawiono obróbkę termiczną. 2. Struktura ziarnista metali. Granice ziarn i podziarn Metale są ciałami polikrystalicznymi, składają się z małych kryształów. Charakteryzują się właściwościami metalicznymi i stanowią 50% wszystkich pierwiastków chemicznych. Struktura metali i ich stopów jest krystaliczna. W procesie krystalizacji kryształy nabierają nieregularnego kształtu. Nazywane są ziarnami. Każde ziarno ma swoją własną orientację sieci krystalicznej, która różni się od orientacji sąsiednich ziaren. Wielkość ziarna metalu wpływa na jego właściwości mechaniczne. Te właściwości, wytrzymałość i plastyczność, są znacznie wyższe, jeśli metal ma drobnoziarniste. Granice ziaren nazywane są granicami ziaren, które mogą być: nachylone, gdy oś obrotu znajduje się w tej samej płaszczyźnie co granica; skręcony z osią prostopadłą do płaszczyzny. Taki kawałek metalu to polikryształ. Granice ziaren są określone przez punkty styku między sąsiednimi kryształami. Wielkość, strukturę i charakter struktury ziaren można ocenić na podstawie pęknięć metalu. W materiałach polikrystalicznych wielkość ziarna wynosi od 1 do 1000 mikronów. Ziarna są zdezorientowane, obrócone względem siebie o kilkadziesiąt stopni. Granice są główną wadą metali. Na granicach między ziarnami atomy nie mają prawidłowego ułożenia. Istnieje obszar przejściowy o szerokości kilku średnic atomowych, w którym sieć jednego ziarna przechodzi w sieć innego ziarna o innej orientacji. Struktura warstwy przejściowej (granicy) przyczynia się do akumulacji w niej dyslokacji, ponieważ podczas przechodzenia przez granicę ani płaszczyzna poślizgu, ani wektor Burgersa nie pozostają niezmienione. Naruszenie prawidłowego rozmieszczenia przyczynia się do tego, że na granicach ziaren wzrasta koncentracja tych zanieczyszczeń, które obniżają energię powierzchniową. Wewnątrz ziaren zaburzona jest prawidłowa struktura krystaliczna. Granice podziarów są mniej zaburzone. Wszystkie metale mają wspólne właściwości: ciągliwość, wysoką przewodność cieplną i elektryczną, specyficzny metaliczny połysk, wzrost oporu elektrycznego wraz ze wzrostem temperatury. Pojedynczy kryształ wyrasta z ciekłego stopu, który jest pojedynczym kryształem. Rozmiary monokryształów są niewielkie, są używane w laboratoriach do badania właściwości dowolnej substancji. Metale i stopy, które otrzymuje się w najzwyklejszych warunkach, składają się z dużej liczby kryształów, mają strukturę polikrystaliczną. Badanie struktury metali za pomocą analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich i mikroskopu elektronowego pozwoliło ustalić, że wewnętrzna struktura krystaliczna ziarna nie jest prawidłowa. W sieciach krystalicznych prawdziwych metali występują różne defekty (niedoskonałości), które zakłócają wiązania między atomami i wpływają na właściwości metali. Wszystkie defekty sieci są zaburzeniami w rozmieszczeniu atomów w siatce. Układ atomów w sieci może mieć formę wyśrodkowanego sześcianu (żelazo b i c, tytan b, chrom, molibden, wolfram, wanad), sześcianu, którego ściany są wyśrodkowane (żelazo g, aluminium, miedź, nikiel, ołów, c -kobalt) lub heksagonalny lub w formie ogniwa (magnez, cynk). Ziarna w polikryształach nie są monolityczne, ale składają się z oddzielnych podziaren, które są obrócone względem siebie o mały kąt. Podziarno jest wielościanem zawierającym albo niewielką liczbę dyslokacji, albo wcale. Główne cechy podziarna: rodzaj, położenie, struktura, gęstość dyslokacji. Wiele dyslokacji powstaje w wyniku ścinania mechanicznego. Granice podziarna i ziaren w metalach dzielą się na niskokątowe i wysokokątowe. Granice niskiego kąta są obserwowane między podziarnami i mają strukturę dyslokacyjną. Granica niskiego kąta może być reprezentowana przez szereg równoległych przemieszczeń krawędzi. Tworzenie podziaren z dyslokacjami pod małym kątem nazywa się poligonizacją. Struktura granic o dużym kącie jest bardziej złożona. Podgranice tworzą pewne systemy dyslokacji. W zależności od tego, jaki materiał i jaki wpływ ma na niego środowisko, lokalizuje się lokalizację dyslokacji. Jeśli metal jest lekko zdeformowany, to płaszczyzny poślizgu są miejscem nagromadzenia dyslokacji. Jeżeli jednak metale takie jak aluminium i żelazo poddane zostaną silnej deformacji, to dyslokacje są przedstawiane w postaci złożonych splotów: przestrzeni, sieci. Struktura, w której podziarna są zorientowane względem siebie pod kątem 15-300, jest blokowa lub mozaikowa. Gęstość dyslokacji w metalu wzrasta wraz ze wzrostem kąta dezorientacji podziarna i zmniejszaniem się ich wielkości. Atomy znajdujące się na granicach ziaren i atomy na powierzchni kryształu, na skutek nieskompensowanych sił oddziaływań międzyatomowych, mają wyższą energię potencjalną w porównaniu do atomów w większości podziemnych ziaren. Obecność dyslokacji wpływa na właściwości wytrzymałościowe metali. Według obliczeń teoretycznych granica sprężystości czystych metali jest 1000 razy większa od rzeczywistej, a granica sprężystości stali jest 100 razy większa. 3. Mikroskopia świetlna; charakterystyka ilościowa mikrostruktury Do badania wewnętrznej struktury stopów stosuje się szeroką gamę metod, z których większość opiera się na zasadach fizycznych. Badanie struktury metali rozpoczyna się od prostej i powszechnej metody w laboratoriach naukowych i przemysłowych - mikroskopii świetlnej (metoda metalograficzna). Po raz pierwszy badanie metali za pomocą mikroskopu przeprowadził P.P. Anosow. Studiował stal damasceńską. Mikroskopia świetlna służy do badania wielkości, kształtu, rozmieszczenia ziaren, defektów struktury krystalicznej (bliźniaków, dyslokacji), a także służy do przewidywania zachowania metali w warunkach eksploatacyjnych. Wszystkie metale są substancjami nieprzezroczystymi (dla światła widzialnego). Kształt kryształów, ich wielkość i położenie badane są na specjalnie wykonanych mikrosekcjach. W tym przypadku wykonuje się cięcie metalu w interesującej badacza płaszczyźnie, a powstałą płaszczyznę szlifuje się i poleruje. Możesz zastosować zarówno szlifowanie zgrubne, jak i dokładne, aby wyeliminować nierówności powierzchni przekroju. Szlifowanie odbywa się przed polerowaniem. Aby uzyskać płaską powierzchnię, konieczna jest zmiana kierunku ruchu próbek o 90° przy zmianie ścierniwa. Szlifowanie należy kontynuować aż do zniknięcia zagrożeń z poprzedniej operacji. Zgodnie z wynikami szlifowania chropowatość powierzchni powinna być mniejsza niż 0,08 mikrona. Polerowanie przeprowadza się w celu uzyskania lustrzanej powierzchni próbki. Polerowanie może być mechaniczne, elektrochemiczne i chemiczno-mechaniczne. Szlifowanie mechaniczne odbywa się za pomocą maszyny z obracającym się kołem, które pokryte jest materiałem polerskim. Na ten materiał nakładane są cząstki ścierne. Polerowanie chemiczno-mechaniczne odbywa się za pomocą cząstek ściernych i pierwiastków chemicznych. Polerowanie elektrochemiczne odbywa się w kąpieli elektrolitycznej. Prąd służy do wygładzania powierzchni. Podczas szlifowania mechanicznego i polerowania dochodzi do plastycznego odkształcenia powierzchni próbki. W zależności od twardości materiału głębokość deformacji powierzchni może sięgać nawet 25 mikronów. Po zmieleniu i polerowaniu przetworzoną próbkę zanurza się w wodzie, następnie w alkoholu, po czym suszy się bibułą filtracyjną. Aby odsłonić strukturę, tworzy się relief lub elementy konstrukcyjne maluje się na różne kolory, co uzyskuje się poprzez trawienie chemiczne. Podczas trawienia kwas wpływa na granice ziaren, ponieważ pojawiają się miejsca o wadliwej strukturze, które w wytrawionym przekroju staną się wgłębieniami; padające na nie światło jest rozproszone i w polu widzenia mikroskopu wydają się ciemne, a korpus ziarna jasny. Do badania mikrosekcji w badaniu mikrostruktury metali stosuje się specjalne mikroskopy, w których wiązka ze źródła światła, odbita od przekroju, przechodzi przez obiektyw i okular, dając odpowiednie powiększenie. Całkowite powiększenie mikroskopu jest równe iloczynowi powiększenia obiektywu i okularu. Pod mikroskopem na mikrosekcji po polerowaniu widać mikropęknięcia i wtrącenia niemetaliczne (grafit w żeliwie, tlenki). Aby ujawnić samą mikrostrukturę metalu, powierzchnia cienkiego odcinka jest trawiona, tj. poddawana jest obróbce specjalnymi odczynnikami, których skład zależy od składu metalu. Wykrywanie mikrostruktury podczas trawienia opiera się na fakcie, że różne fazy są inaczej trawione i różnie zabarwione. W wyniku wytrawiania mikroprzekrojów czystych metali możliwe jest ujawnienie kształtu i wielkości poszczególnych ziaren. Mikroanaliza umożliwia ustalenie wielkości, kształtu i orientacji ziaren, poszczególnych faz i składników strukturalnych, zmian struktury wewnętrznej metali i stopów w zależności od warunków ich wytwarzania i przetwarzania. W celu zbadania szczegółów struktury wykorzystywany jest mikroskop elektronowy, w którym obraz tworzony jest za pomocą strumienia szybko lecących elektronów. Istnieją bezpośrednie i pośrednie metody badania struktury. Metody pośrednie opierają się na specjalnej technice przygotowania wycisków cienkowarstwowych, które odzwierciedlają relief wytrawionego odcinka. Badając powstałą replikę, obserwuje się szczegóły struktury, ich minimalna wielkość to 2–5 nm. Metody bezpośrednie umożliwiają badanie cienkich folii metalowych o grubości do 300 nm w transmisji przy użyciu mikroskopów elektronowych wysokiej rozdzielczości (mikroskopy UEMV-100, UEMV-100A, UEMV-100V). Mikroskop optyczny nie jest urządzeniem, które może wykryć kryształ o dowolnej wielkości. Metalografia ilościowa napotyka na pewne trudności. Tak więc problem określania parametrów ilościowych trójwymiarowego obiektu poprzez badanie jego dwuwymiarowego przekroju jest rozwiązywany na kilka sposobów. Stosując metodę porównawczą oraz metodę średniej długości odcinka przechodzącego przez ziarno określa się wielkość ziaren metalu. Obecnie stosowany jest zautomatyzowany system do badania mikrosekcji metali, który obejmuje użycie mikroskopu, kamery wideo, blastera wideo i komputera osobistego. 4. Komórka elementarna; numer koordynacyjny; syngonia Kierunki i płaszczyzny krystalograficzne, anizotropia; odległości międzypłaszczyznowe Sieć krystaliczna - uporządkowany układ atomów. Komórka elementarna kryształu to minimalna objętość kryształu, która w pełni zachowuje wszystkie swoje właściwości. Atomy w siatce są ułożone inaczej. Komórka elementarna powtarza się w trzech wymiarach i tworzy sieć krystaliczną. Strukturę kryształu określa położenie atomów w komórce elementarnej. Liczba koordynacyjna - całkowita liczba obojętnych cząsteczek i jonów, które mają wiązanie z centralnym jonem w kompleksie. 1. Elementy czwartej grupy mają kowalencyjne wiązania nasycone i skierowane, a każdy atom ma czterech sąsiadów. Liczba najbliższych sąsiadów jest liczbą koordynacyjną. Sieć elementarna to czworościan z jednym atomem w środku i czterema atomami na wierzchołkach. 2. Kiedy tworzy się wiązanie jonowe, sieci krystaliczne są bardziej zwarte, liczba koordynacyjna osiąga 6 z powodu nienasycenia wiązania jonowego. Przykład: Sieć krystaliczna NaCI - prymitywny sześcian z jonami chloru i sodu na wierzchołkach. 3. Wiązania metali sprawiają, że sieci krystaliczne są bardziej zwarte. Liczby koordynacyjne osiągają wartości 8 i 12. Z materiałów metalicznych powstają trzy rodzaje sieci krystalicznych: sześcienne skoncentrowane na ciele (bcc), sześcienne skoncentrowane na powierzchni (fcc) i ciasno upakowane sześciokątne (HP). Syngonia - jeden z podziałów kryształów na podstawie symetrii ich komórki elementarnej z tymi samymi układami osi współrzędnych. Syngonia charakteryzuje symetrię struktur trójwymiarowych z symetrią translacyjną w trzech kierunkach. Wyróżnia się siedem układów osiowych w zależności od długości odcinków odciętych na osiach krystalograficznych oraz względnego położenia tych osi. 1. Syngonia sześcienna. Trzy równe osie przecinają się pod kątem prostym. 2. Syngonia czworokątna. Dwa odcinki osi o tej samej długości przecinają się pod kątem prostym, trzecia oś jest do nich prostopadła, a odcięty na niej odcinek ma inną długość. 3. Syngonia rombowa. Trzy osie o różnych długościach przecinają się pod kątem prostym. 4. Syngonia jednoskośna. Dwie osie o różnych długościach przecinają się pod kątem, trzecia oś tworzy z nimi kąt prosty. 5. Syngonia trójkliniczna. Trzy osie o różnych długościach przecinają się pod ukośnymi kątami. 6. Syngonia trygonalna. Trzy odcinki osi o jednakowej długości przecinają się w jednej płaszczyźnie pod kątem 60 °C, trzecia oś jest prostopadła do tej płaszczyzny, a odcięty na niej odcinek ma inną długość. 7. Syngonia heksagonalna. Położenie osi jest podobne do ich położenia w syngonii trygonalnej. Uporządkowanie układu atomów w sieci krystalicznej umożliwia wyodrębnienie poszczególnych kierunków i płaszczyzn krystalograficznych. Kierunki krystalograficzne to proste promienie wychodzące z dowolnego punktu odniesienia, wzdłuż którego znajdują się atomy. Punktami odniesienia są wierzchołki sześcianu. Kierunki krystalograficzne to krawędzie i przekątne ścian sześcianu. Mogą być inne kierunki. Płaszczyzny krystalograficzne to płaszczyzny, na których leżą atomy. Kierunki i płaszczyzny krystalograficzne charakteryzują wskaźniki Millera, które określają ich różne położenia. Równoległe płaszczyzny w sieci krystalicznej, zbudowane identycznie, mają te same indeksy. Aby indeksy były otrzymywane z prostych liczb całkowitych, płaszczyznę można przesuwać równolegle. Położenie dowolnego węzła sieci krystalicznej względem dowolnie wybranego początku określa się poprzez ustawienie współrzędnych x,y,z. Dla jednej komórki elementarnej współrzędne te są równe odpowiednio parametrom sieci a, b, c. Aby określić indeks, znajdź współrzędne atomu najbliższego punktu odniesienia, leżącego w tym kierunku, wyrażonego parametrem kraty. Wszystkie fizyczne, w tym wytrzymałościowe, właściwości metali w różnych kierunkach krystalograficznych zależą od liczby atomów znajdujących się we wspomnianych kierunkach. W sieci krystalicznej w różnych kierunkach występuje różna liczba atomów. W substancjach krystalicznych należy zaobserwować anizotropię, czyli nierówne właściwości w różnych kierunkach. Anizotropia jest wynikiem uporządkowanego ułożenia atomów w ciałach krystalicznych i objawia się w obrębie pojedynczego kryształu. Prawdziwe metale to ciała polikrystaliczne, zawierające liczne ziarna, dowolnie zorientowane względem siebie poprzez kierunki i płaszczyzny krystalograficzne. Anizotropię właściwości mechanicznych obserwuje się podczas badania próbek ciętych w różnych kierunkach krystalograficznych. Rzeczywiste metale mają średnią izotropię i nazywane są ciałami quasi-izotropowymi lub pseudoizotropowymi Odległość międzypłaszczyznowa — najkrótsza odległość dzieląca równoległe i równomiernie rozmieszczone płaszczyzny węzłowe. 5. Klasyfikacja defektów w strukturze krystalicznej. Defekty punktowe, zależność ich stężenia od temperatury. Przemieszczenia krawędziowe i śrubowe Pojedynczy kryształ można wyhodować z ciekłego stopu. Monokryształ to kawałek metalu z pojedynczego kryształu. Metale i stopy, które otrzymuje się w normalnych warunkach, składają się z dużej liczby kryształów i mają strukturę polikrystaliczną. Kryształy te nazywane są ziarnami i mają nieregularny kształt. Każde ziarno ma swoją własną orientację sieci krystalicznej i różni się od orientacji sąsiednich ziaren. Wewnętrzna struktura krystaliczna ziarna nie jest prawidłowa. W sieciach krystalicznych metali występują defekty (niedoskonałości), które rozrywają wiązania między atomami i wpływają na właściwości metali. Wszystkie defekty sieci są zaburzeniami w rozmieszczeniu atomów w siatce. Niedoskonałości powierzchniowe są granicami ziaren metalu. Wyróżnia się następujące niedoskonałości strukturalne: defekt sieciowy, punktowy, mały, liniowy, płaski. Wady kryształów w istotny sposób zmieniają właściwości fizyczne, mechaniczne, chemiczne i technologiczne metali. Defekty punktowe obejmują wakaty (puste miejsca), obce atomy międzywęzłowe. Im wyższa temperatura, tym więcej wad. Atomy zanieczyszczeń są jedną z najczęstszych niedoskonałości w strukturze krystalicznej (wakacje, atomy przemieszczone). Wakat to puste miejsce w sieci krystalicznej, które powstaje z różnych powodów. Źródłem wakatów są granice ziaren, w których zostaje zakłócony prawidłowy układ atomów. Liczba wolnych miejsc i ich koncentracja zależą od temperatury przetwarzania. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta liczba wolnych miejsc pracy. Pojedyncze wakaty spotykane są podczas poruszania się po krysztale i łączą się w pary, tworząc dywakancje, podczas gdy ich całkowita powierzchnia maleje, zwiększa się stabilność sparowanych wakatów i możliwe jest tworzenie triwakantów i całych łańcuchów. Dyslokowane atomy to atomy, które opuściły węzeł sieci krystalicznej i zajęły miejsce w szczelinach. Odnosi się do wad punktowych. Atomy zanieczyszczeń zajmują miejsce głównych atomów w sieci krystalicznej lub są wprowadzane do komórki (rodzaj defektów punktowych). Jeśli naruszona zostanie poprawność struktury krystalicznej wokół wakatów, atomów przemieszczonych i atomów zanieczyszczeń, wówczas naruszona zostanie również równowaga pól siłowych atomów we wszystkich kierunkach. Wszystkie zmiany wynoszą nie więcej niż kilka średnic atomowych. Defekty punktowe oddziałują na siebie. Istnieje interakcja pomiędzy defektami punktowymi i defektami liniowymi – dyslokacjami. Defekty liniowe są małe w dwóch wymiarach, w trzecim są większe, co może być współmierne do długości kryształu. Defekty liniowe obejmują łańcuchy wakatów, atomy śródmiąższowe i dyslokacje. Dyslokacje mogą być dość rozciągnięte w jednym kierunku i mieć niewielkie rozszerzenie w przeciwnym kierunku. Wytrzymałość i ciągliwość metali bezpośrednio zależy od obecności dyslokacji. Niedoskonałości liniowe - dyslokacje, są szczególnym rodzajem niedoskonałości w sieci krystalicznej. Cechą charakterystyczną struktury dyslokacji jest gęstość dyslokacji. Obecnie znane są różne mechanizmy powstawania dyslokacji. Dyslokacje mogą powstać podczas wzrostu ziaren, podczas formowania się podziarna. Zostało eksperymentalnie ustalone, że granice ziaren i bloków mają dużą gęstość dyslokacji. Podczas krystalizacji ze stopionego materiału energetycznie korzystne jest, gdy zarodek powiększa się z utworzeniem na jego powierzchni zwichnięcia ślimaka. Promuj powstawanie dyslokacji i segregację zanieczyszczeń. W zestalonym metalu dyslokacje powstają w wyniku akumulacji wakatów. Obszar niedoskonałości kryształu wokół krawędzi płaszczyzny zewnętrznej nazywany jest dyslokacją krawędziową (liniową). Dyslokacja krawędziowa reprezentuje szybko zanikające pole naprężeń sprężystych w sieci krystalicznej wokół krawędzi pozapłaszczyzny, spowodowane tym, że powyżej tej krawędzi parametry sieci są nieco ściśnięte, a poniżej tej krawędzi odpowiednio rozciągnięte. W jednym wymiarze zasięg przemieszczenia ma charakter makroskopowy (przemieszczenie może pęknąć jedynie na granicy kryształu – jest to granica strefy ścinania). Ruch zwichnięcia krawędzi jest zachowawczy. Jeśli ekstrapłaszczyzna znajduje się w górnej części kryształu, dyslokację nazywamy dodatnią; jeśli ekstrapłaszczyzna znajduje się w dolnej części kryształu, nazywa się ją ujemną. Dyslokacje śrubowe powstają, gdy dwie części kryształu są przesunięte w kierunku płaszczyzny akumulacji wakatów. Jeśli przemieszczenie śruby powstaje w wyniku obrotu w prawo, nazywa się to prawoskrętnym, jeśli obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, nazywa się to lewoskrętnym. Wakaty i atomy śródmiąższowe nie dopływają do przemieszczenia ślimaka. Możliwe jest także powstawanie dyslokacji częściowych i mieszanych. Powstawanie dyslokacji zwiększa energię kryształu. Dyslokacje przyczyniają się do wzrostu naprężeń wewnętrznych w metalach. Zastosowanie światła spolaryzowanego umożliwia ujawnienie pól naprężeń powstających wokół dyslokacji. 6. Dyfuzja w metalach Dyfuzja to przenoszenie materii w wyniku losowego ruchu termicznego dyfundujących cząstek. Kiedy gaz dyfunduje, jego cząsteczki zmieniają kierunek ruchu, gdy zderzają się z innymi cząsteczkami.Głównym rodzajem ruchu podczas dyfuzji w ciałach stałych są losowe okresowe przeskoki atomów z miejsca sieci krystalicznej do sąsiedniego miejsca lub wakatu. Rozwój procesu dyfuzyjnego prowadzi do powstania warstwy dyfuzyjnej, rozumianej jako warstwa materiału części w pobliżu powierzchni nasycenia, która różni się od pierwotnej składem chemicznym, strukturą i właściwościami. Ruch dyfuzyjny dowolnego atomu to błądzenie losowe ze względu na dużą amplitudę drgań, która nie zależy od ruchu innych atomów ani od poprzedniego ruchu tego atomu. Niezależne od temperatury drgania atomów wokół położenia równowagi zwykle występują z częstotliwością ~1013 с-1 Zagadnienie określenia mechanizmu dyfuzji jest bardzo złożone. Prace Ya.I. odegrały ważną rolę w rozwiązaniu tego problemu. Frenkla, które wykazały ogromny wpływ defektów sieci krystalicznej, zwłaszcza wakatów, na proces ruchu dyfuzyjnego atomów. Najtrudniejszy jest prosty mechanizm dyfuzji wymiany, a najbardziej prawdopodobny jest mechanizm wakatów. Każdemu mechanizmowi dyfuzji odpowiada pewna energia aktywacji Q, czyli wartość bariery energetycznej, którą atom musi pokonać, przechodząc z jednego położenia do drugiego. Ruch podczas mechanizmu dyfuzji tłumu jest podobny do propagacji fali: każdy atom jest przemieszczany o niewielką odległość, a zaburzenie rozprzestrzenia się szybko. Dla dyfuzji duże znaczenie mają wakaty i ich asocjacje (biwakacje, kompleksy atomów wakat-nieczystość), a także defekty będące ich źródłami (liniowe i powierzchniowe). Głównym mechanizmem samodyfuzji i dyfuzji w substytucyjnych roztworach stałych jest mechanizm wakat. W śródmiąższowych roztworach stałych główny mechanizm ruchu małych atomów zanieczyszczeń jest śródmiąższowy. Jeżeli dwa dobrze połączone kawałki czystych metali A i B są wyżarzane przez dłuższy czas, to zaobserwuje się wzajemne przenikanie metali i przesunięcie początkowej granicy faz zaznaczonej śladami inertnymi (cząstki tlenków lub druty wolframowe) o wartość Δx, który jest wprost proporcjonalny do pierwiastka kwadratowego czasu wyżarzania. Jeśli DА > DВ, wtedy składnik A wnika do B szybciej niż B do A, w wyniku czego część B próbki zwiększa swoją objętość. Metalizacja dyfuzyjna to proces dyfuzyjnego nasycania powierzchni wyrobów metalami lub niemetalami. Nasycenie dyfuzyjne odbywa się w mieszaninie proszku, medium gazowym lub stopionym metalu (jeśli metal ma niską temperaturę topnienia). Borowanie - nasycenie dyfuzyjne powierzchni metali i stopów borem w celu zwiększenia twardości, odporności na korozję, odporności na zużycie odbywa się przez elektrolizę w stopionej soli boru. Borowanie zapewnia szczególnie wysoką twardość powierzchni, odporność na zużycie, zwiększa odporność na korozję i odporność na ciepło. Stale borowe mają wysoką odporność na korozję w wodnych roztworach kwasu solnego, siarkowego i fosforowego. Borowanie stosuje się do części żeliwnych i stalowych pracujących w warunkach tarcia w agresywnym środowisku (w inżynierii chemicznej). Chromowanie – nasycanie dyfuzyjne chromem odbywa się w mieszaninach proszkowych chromu lub ferrochromu z dodatkiem chromu amonowego (1%) i tlenku glinu (49%) w temperaturze 1000…1050°C z ekspozycją 6 ... 12 h. Chromowanie stosuje się na części, które pracują w środowisku parowo-wodnym i agresywnym (złączki, zawory). Podczas chromowania wyrobów ze stali niskowęglowej wzrasta twardość i uzyskuje się dobrą odporność na korozję. Aluminiowanie to proces dyfuzyjnego nasycania warstwy wierzchniej aluminium, przeprowadzany w sproszkowanych mieszaninach aluminium lub w roztopionym aluminium. Celem jest uzyskanie wysokiej odporności cieplnej powierzchni części stalowych. Aluminiowanie przeprowadza się w ośrodkach stałych i ciekłych. Silikonizacja - nasycanie dyfuzyjne krzemem odbywa się w atmosferze gazowej. Warstwa nasycona krzemem części stalowej ma niezbyt dużą twardość, ale wysoką odporność na korozję i zwiększoną odporność na zużycie w wodzie morskiej, kwasie azotowym, kwasie solnym w kwasie siarkowym. Części silikonowane znajdują zastosowanie w przemyśle chemicznym, celulozowo-papierniczym i naftowym. W celu zwiększenia odporności cieplnej silikonowanie stosuje się do wyrobów wykonanych ze stopów na bazie molibdenu i wolframu, które charakteryzują się wysoką odpornością cieplną. W materiałoznawstwie rozwijane są makro- i mikroskopowe teorie dyfuzji. W teorii makroskopowej nacisk kładzie się na formalizm, czyli siły i parametry termodynamiczne. Teoria mikroskopowa wykorzystuje mechanizmy oparte na teorii skoków atomowych. 7. Przemiany fazowe pierwszego i drugiego rodzaju Składniki w stanie ciekłym (składniki A) są nieskończenie rozpuszczalne, składniki w stanie stałym (składniki B) nie tworzą związków chemicznych i są nierozpuszczalne. Diagramy stanów przedstawiają wykres we współrzędnych stopu - temperatura, który odzwierciedla produkty powstałe w wyniku wzajemnego oddziaływania składników stopu w warunkach równowagi termodynamicznej w różnych temperaturach. Są to substancje, które w zależności od temperatury i składu mają określony stan skupienia, specyficzny charakter struktury i pewne właściwości, nazywane są fazami. Faza to jednorodna część stopu, która ma taki sam skład, strukturę i właściwości. Faza ciekła jest roztworem stopionych składników. Fazy stałe to ziarna, które mają określony kształt, wielkość, skład, określoną strukturę i właściwości. Są to roztwory stałe, związki chemiczne, a także ziarna czystych składników, które nie tworzą ani roztworów stałych, ani związków chemicznych z innymi składnikami. Diagram fazowy, który przedstawia stan graniczny stopów, można podzielić na obszary. Niektóre obszary składają się z jednej fazy, inne z dwóch, mają różny skład, strukturę i właściwości. Diagramy fazowe zawierają informacje potrzebne do tworzenia i przetwarzania stopów. Diagram stanu pierwszego rodzaju. Reguła segmentacji. Schemat ten obejmuje stopy, których składniki tworzą mieszaniny praktycznie czystych ziaren o znikomej wzajemnej rozpuszczalności. Struktura fazowa stopów na schemacie zależy od temperatury. Wraz z termodynamicznym oddziaływaniem składników na siebie temperatura ich przejścia do stanu ciekłego spada. Stop dwóch składników, które topią się w minimalnej temperaturze, nazywany jest eutektyką lub eutektyką. Eutektyka jest jednorodną mieszaniną jednocześnie skrystalizowanych małych ziaren obu składników. Temperatura, w której oba składniki topią się jednocześnie, nazywana jest temperaturą eutektyczną. Przejście stopów ze stanu ciekłego do stałego podczas krystalizacji następuje w zakresie temperatur leżącym między linią likwidus a temperaturą eutektyczną, co odpowiada linii solidusu. Wszystkie zmiany ilościowe stopów podczas krystalizacji podlegają zasadzie segmentów. W zależności od składu wszystkie stopy dzielą się na podeutektyczne i nadeutektyczne. Stopy hipoeutektyczne zawierają składnik A powyżej (100-Ve)%. W nich jest to element zbędny. W stopach nadeutektycznych składnik B jest zbędny (jego ilość przekracza Be). Ilość każdego składnika konstrukcyjnego obliczana jest zgodnie z zasadą segmentów w stosunku do temperatury eutektycznej. Diagram stanu drugiego rodzaju. Segregacja dendrytyczna. Przy nieograniczonej rozpuszczalności składników w sobie, które mają te same rodzaje sieci i podobną budowę zewnętrznych powłok elektronowych, otrzymuje się diagramy drugiego rodzaju. Na schemacie są trzy regiony fazowe: 1. Nad linią likwidus ADB znajduje się obszar fazy ciekłej G. 2. Poniżej, aż do linii solidus ADB, znajduje się dwufazowy obszar b + G. Faza b to stały roztwór składników A i B, ziarna mają sieć monokrystaliczną. Jednak dla stopów o różnym składzie liczba atomów składników A i B w komórkach elementarnych sieci jest różna. 3. Obszar znajdujący się pod linią solidus jest jednofazowy (faza b). W przeciwieństwie do stopów mieszanin ziaren o praktycznie czystych składnikach, każdy ze stopów zestalonych na diagramie fazowym reprezentuje zestaw ziaren fazowych, które nie różnią się od siebie na zewnątrz. W przypadku przyspieszonego chłodzenia stopu podczas krystalizacji procesy dyfuzyjne nie mają czasu na zakończenie, a środkowa część każdego ziarna okazuje się wzbogacona w składnik bardziej ogniotrwały, a część obwodowa w składnik niskotopliwy (A). Zjawisko to nazywa się likwacją dendrytyczną i powoduje obniżenie właściwości wytrzymałościowych stopów. Jej zapobieganie jest możliwe dzięki powolnemu chłodzeniu stopu, zapewniającemu jego równowagową krystalizację. W przypadku wystąpienia segregacji dendrytycznej jest ona eliminowana przez przedłużone wyżarzanie dyfuzyjne stopu. Zachodzące w tym przypadku procesy dyfuzji wyrównują skład chemiczny w ziarnach. Podczas odkształcenia plastycznego materiału metalicznego siła zewnętrzna musi pokonać opór ruchu dyslokacji, który jest określony wartością siły Peierlsa-Nabarro. Siła ta zależy od intensywności oddziaływania międzyatomowego w sieci krystalicznej stopu. Atomy składnika rozpuszczalnego w sieciach roztworu stałego tworzą silniejsze wiązanie metaliczne z atomami składnika rozpuszczalnika niż w sieciach obu czystych składników. Z tego powodu odporność na odkształcenia plastyczne roztworu stałego wraz ze wzrostem zawartości innego rozpuszczonego w nim składnika powinna wzrastać zgodnie z prawem krzywoliniowym. 8. Topienie metali i struktura wytopów Topienie to fizyczny proces przejścia metalu ze stanu stałego w stopioną ciecz. Topienie jest procesem odwrotnym do krystalizacji, zachodzącym w temperaturze powyżej równowagi, tj. podczas przegrzania. Ponieważ ciekły metal ma więcej energii wewnętrznej niż metal stały, podczas krystalizacji uwalniane jest ciepło. Istnieje pewien związek pomiędzy ciepłem Q i temperaturą krystalizacji Tk. Stopień przegrzania podczas topienia metali nie przekracza kilku stopni. W stanie ciekłym atomy substancji poruszają się losowo pod wpływem ruchu termicznego, w cieczy znajdują się grupy atomów o niewielkiej objętości, w których układ atomów jest podobny do układu w sieci krystalicznej. Te zgrupowania są nietrwałe, rozpuszczają się i ponownie pojawiają się w cieczy. Kiedy ciecz jest przechłodzona, niektóre duże grupy stają się stabilne i zdolne do wzrostu. Te stabilne grupy atomów nazywane są centrami krystalizacji (jądrami). Aby zrealizować proces topienia, konieczne jest pewne przegrzanie powyżej temperatury równowagi, czyli potencjału termodynamicznego. Powyżej temperatury równowagi ciekły metal jest bardziej stabilny, ma mniejszy zapas energii swobodnej. Poniżej tej temperatury stały metal jest bardziej stabilny. W temperaturze równowagi energie swobodne stanów ciekłych i stałych są takie same, dlatego w tej temperaturze obie fazy (ciekła i stała) mogą współistnieć jednocześnie, a ponadto przez nieskończenie długi czas. Temperatura równowagi jest bardzo zbliżona do temperatury topnienia Tm, z którą jest często porównywana. Po schłodzeniu przejściu ze stanu ciekłego do stanu stałego towarzyszy tworzenie sieci krystalicznej, czyli krystalizacja. Aby wywołać krystalizację, ciekły metal musi zostać przechłodzony do temperatury poniżej jego temperatury topnienia. Ciecze o temperaturze zbliżonej do temperatury topnienia nazywane są stopami. Stopy są metaliczne, jonowe, półprzewodnikowe, organiczne i wysokopolimerowe. W zależności od tego, jakie związki chemiczne tworzą wytopy, wyodrębnia się wytopy sól, tlenek, tlenek-krzemian i inne. Większość stopów zawiera cząstki skośne. W procesie topienia wiązania chemiczne w wytopach ulegają modyfikacji. W półprzewodnikach obserwuje się powstawanie przewodności metalicznej, w niektórych halogenkach zamiast przewodności jonowej następuje spadek przewodności elektrycznej z powodu tworzenia się stopu o składzie cząsteczkowym. Poziom temperatury wpływa również na rodzaj wiązania w stopach. Średnia liczba koordynacyjna i odległości międzyatomowe są również cechami stopów. W procesie topienia metali liczba koordynacyjna spada o około 10-15%. Jednocześnie odległości międzyatomowe pozostają takie same. Gdy półprzewodniki topią się, ich liczba koordynacyjna wzrasta 1,5-krotnie, a także zwiększa się odległość między atomami. Stopy wieloskładnikowe charakteryzują się nierównowagowymi, metastabilnymi stanami, które są związane ze strukturą początkowych faz stałych. W wielu przypadkach występuje opóźnienie (histereza) właściwości stopów w procesie zmiany temperatury. Na właściwości i strukturę wytopów mają wpływ następujące czynniki: temperatura, czas utrzymywania, szybkość wahań temperatury, materiał, z którego wykonany jest pojemnik, obecność zanieczyszczeń. Skład stopów wyróżnia się złożonością. Stopy jonowe mogą zawierać jony proste lub złożone, niezdysocjowane i polimeryczne cząsteczki, a także wolne objętości. Stopione krzemiany mogą zawierać wyizolowane tetraedry krzemowo-tlenowe oraz utworzone przez nie łańcuchy, pierścienie, sieci i struktury. Jednoznaczny model struktury wytopów jest dość trudny do stworzenia, ponieważ wytopy zawierają różne rodzaje cząstek i wiązań. Główną funkcją modeli jest definiowanie i interpretacja właściwości stopów oraz obliczanie właściwości. Wytopy w branży metalurgicznej dzielą się na produkty pośrednie, produkty uboczne i produkty końcowe. Używając stopów jako elektrolitów, metale są produkowane i rafinowane w metalurgii, a także nakładane są powłoki. Wiele stopów tworzy się w postaci stopionych. Monokryształy i filmy epitaksjalne są hodowane ze stopów. Zwykle jako katalizatory stosuje się stopione metale, sól i tlenki. Stopy solne znajdują zastosowanie w kąpielach wyżarzających i hartowniczych, wysokotemperaturowych ogniwach paliwowych, jako nośniki ciepła, topniki w procesie lutowania i spawania metali, media reakcyjne w syntezie nieorganicznej i organicznej, a także absorbery, ekstrahenty itp. służy do otrzymywania krzemianów, fluorków i innych specjalnych stosów oraz metali amorficznych. 9. Krystalizacja metali; zarodkowanie kryształów, zarodek krytyczny; jednorodne i niejednorodne zarodkowanie kryształów; wzrost kryształów. Krzywe Tamman Krystalizacja to proces przejścia metalu ze stanu ciekłego do stanu stałego z wytworzeniem struktury krystalicznej. W naturze wszelkie spontaniczne przemiany, krystalizacja i topienie, wynikają z faktu, że nowy stan w nowych warunkach jest bardziej stabilny energetycznie i ma mniejszy zapas energii. Przejście metalu ze stanu ciekłego lub pary do stanu stałego z utworzeniem struktury krystalicznej nazywa się krystalizacją pierwotną. Tworzenie się nowych kryształów w krystalicznym ciele stałym nazywa się krystalizacją wtórną. Proces krystalizacji składa się z dwóch zachodzących jednocześnie procesów zarodkowania i wzrostu kryształów. Kryształy mogą zarodkować się samoistnie - krystalizacja spontaniczna lub rosnąć na istniejących, gotowych centrach krystalizacji - krystalizacja niespontaniczna. Proces krystalizacji metalu można monitorować za pomocą licznika czasu i pirometru termoelektrycznego. Dwa różne druty, zlutowane na końcach, zanurza się w roztopionym metalu, a powstający prąd cieplny jest proporcjonalny do temperatury metalu, a wskazówka miliwoltomierza odchyla się, wskazując temperaturę na specjalnie wyskalowanej skali. Odczyty pirometru rejestrowane są w czasie i na podstawie uzyskanych danych wykreślane są krzywe chłodzenia we współrzędnych temperatura – czas. Punktem krytycznym jest temperatura odpowiadająca pewnej przemianie metalu. Po schłodzeniu przejściu ze stanu ciekłego do stanu stałego towarzyszy tworzenie sieci krystalicznej, czyli krystalizacja. W celu wywołania krystalizacji ciekły metal musi zostać przechłodzony do temperatury poniżej jego temperatury topnienia. Podczas krzepnięcia i podczas przemian alotropowych w metalu najpierw powstają centra krystalizacji, wokół których grupują się atomy, tworząc odpowiednią sieć krystaliczną. Proces krystalizacji składa się z dwóch etapów: tworzenia centrów krystalizacji i wzrostu kryształów. W każdym z powstających kryształów płaszczyzny krystalograficzne są zorientowane losowo, dodatkowo podczas pierwotnej krystalizacji kryształy mogą się obracać, ponieważ są otoczone cieczą. Sąsiadujące kryształy rosną ku sobie, a ich punkty zderzenia wyznaczają granice krystalitów (ziaren). Substancje amorficzne mają gładkie krzywe chłodzenia, bez obszarów i półek: jasne jest, że substancje te nie mogą mieć alotropii. Mechanizm krystalizacji metalu polega na tym, że wraz z odpowiednim spadkiem temperatury wewnątrz tygla z ciekłym metalem zaczynają tworzyć się małe kryształy, zwane centrami krystalizacji lub jądrami. Aby rozpocząć wzrost kryształów ciekłego metalu, konieczne jest, aby energia swobodna metalu zmniejszona. Jeśli w wyniku powstania jądra energia swobodna metalu wzrośnie, wówczas jądro się rozpuści. Minimalny rozmiar zarodka zdolnego do wzrostu nazywa się rozmiarem krytycznym zarodka, a taki zarodek nazywa się stabilnym. Im większy stopień przechłodzenia, który obniża energię swobodną metalu, tym mniejszy krytyczny rozmiar jądra. Wokół utworzonych centrów zaczynają rosnąć kryształy. W miarę wzrostu kryształów w metalu, który wciąż jest w stanie ciekłym, pojawiają się nowe centra krystalizacji. Każdy z rosnących nowych kryształów jest losowo zorientowany w przestrzeni. Kryształy o nieregularnym kształcie nazywane są ziarnami lub kryształami. Ciała stałe, w tym metale, składające się z dużej liczby ziaren, nazywane są polikrystalicznymi. D.V. Czernow ustalił, że proces krystalizacji składa się z dwóch podstawowych procesów: zarodkowania centrów krystalizacji i wzrostu kryształów z tych centrów. Znacznie później Tamman, badając proces krystalizacji, ustalił zależność liczby centrów krystalizacji i szybkości wzrostu kryształów od stopnia przechłodzenia. Podczas gdy powstałe kryształy rosną swobodnie, mają mniej lub bardziej regularny kształt geometryczny. Jednak, gdy zderzają się rosnące kryształy, ich regularny kształt zostaje naruszony, ponieważ wzrost twarzy zatrzymuje się w tych obszarach. Wzrost postępuje w tych kierunkach, w których istnieje swobodny dostęp do płynu „karmiącego”. W rezultacie rosnące kryształy, które początkowo mają regularny geometrycznie kształt, po zestaleniu nabierają nieregularnego kształtu zewnętrznego i dlatego nazywane są krystalitami lub ziarnami. Wzrost jąder następuje w wyniku przejścia atomów z przechłodzonej cieczy do kryształów. Kryształ rośnie warstwami, każda warstwa ma grubość jednego atomu. Istnieją dwa podstawowe procesy wzrostu kryształów. Powstawanie dwuwymiarowego zarodka. Wzrost dwuwymiarowego jądra przez dostarczenie atomów z przechłodzonej cieczy. Po utworzeniu dwuwymiarowego jądra na płaskiej powierzchni dalszy wzrost nowej warstwy przebiega stosunkowo łatwo, ponieważ pojawiają się obszary dogodne do mocowania atomów wychodzących z cieczy. Wielkość ziaren powstałych podczas krystalizacji zależy nie tylko od liczby spontanicznie powstających centrów krystalizacji, ale także od liczby cząstek nierozpuszczalnych zanieczyszczeń, które zawsze występują w ciekłym metalu, które pełnią rolę gotowych centrów krystalizacji. 10. Struktura wlewka i stopy amorficzne Konstrukcję wlewka stalowego po raz pierwszy podał w 1878 roku D.K. Czernow. Konstrukcja wlewka odlewanego składa się z trzech głównych stref. Pierwsza strefa to zewnętrzna drobnoziarnista skorupa, która składa się ze zdezorientowanych małych kryształów - dendrytów. Druga strefa wlewków to strefa kryształów kolumnowych. Po utworzeniu samej skorupy warunki do odprowadzania ciepła zmianie, gradient temperatury maleje i stopień przechłodzenia stali maleje. Trzecia strefa wlewka to strefa kryształów równoosiowych. Kryształy powstające podczas krzepnięcia metalu mają różny kształt w zależności od szybkości chłodzenia, charakteru i ilości zanieczyszczeń. Częściej w procesie krystalizacji powstają rozgałęzione (drzewo) kryształy, zwane dendrytami ze względu na swój kształt przypominający kształtem drzewo. Tę postać kryształów tłumaczy się tym, że jądra powstałe w ciekłym metalu rosną w kierunku z minimalną odległością między atomami. W ten sposób powstają osie pierwszego rzędu. Równolegle z wydłużeniem osi pierwszego rzędu osie drugiego rzędu zarodkują i rosną na swoich krawędziach prostopadle do nich pod pewnymi kątami, z których osie trzeciego rzędu już wyrastają i ostatecznie tworzą się kryształy w postaci dendrytów. Struktura dendrytyczna ujawnia się po specjalnym wytrawieniu cienkich przekrojów, ponieważ wszystkie szczeliny między gałęziami dendrytów są wypełnione, a zwykle tylko połączenia dendrytów są widoczne w postaci granic ziaren. Prawidłowy kształt dendrytów jest zniekształcony w wyniku zderzeń i akrecji cząstek w późniejszych etapach procesu. Struktura dendrytyczna jest charakterystyczna dla makro- i mikrostruktury odlewanego metalu (stopu). W kontakcie z zimną ścianką formy tworzy się strefa małych równoosiowych kryształów. Objętość stałego metalu jest mniejsza niż cieczy, dlatego między ścianą formy a zestalonym metalem pojawia się szczelina powietrzna; sama ściana nagrzewa się w wyniku kontaktu z metalem. W rezultacie zmniejsza się szybkość chłodzenia metalu, wzrost kryształów staje się kierunkowy - rosną od ścianki formy do środka w kierunku odprowadzania ciepła i tworzy się strefa kryształów kolumnowych. Zjawisko to, polegające na przerastaniu przez grubość wlewka długich kryształów, nazywa się transkrystalizacją. Powstała strefa spowalnia przekazywanie ciepła na zewnątrz, szybkość chłodzenia maleje i tworzy się strefa dużych niezorientowanych kryształów. Ciekły metal zawiera pewną ilość rozpuszczonych gazów, dlatego w objętości wlewka po ochłodzeniu, w przypadku metali, które mają tendencję do przechłodzenia, widoczne są tylko rosnące gałęzie krzywych liczby centrów krystalizacji i szybkości wzrostu kryształów wykryty. Wielkość ziaren powstałych podczas krystalizacji zależy nie tylko od liczby spontanicznie powstających centrów krystalizacji, ale także od liczby cząstek nierozpuszczalnych zanieczyszczeń, które zawsze występują w ciekłym metalu, które pełnią rolę gotowych centrów krystalizacji. Takimi cząstkami mogą być tlenki, azotki, siarczki. Centra krystalizacji w metalu lub stopie mogą być cząstkami stałymi, które mają niewielką różnicę w wielkości atomów z atomami metalu nieszlachetnego, ich sieć krystaliczna powinna być zbliżona strukturą i parametrami do sieci krystalizującego metalu. Ścianki form i innych form, w których zachodzi krystalizacja ciekłego metalu, mają nieregularności i chropowatość. Nieregularności te wpływają na proces krystalizacji poprzez zwiększenie szybkości krystalizacji. Jeśli stal nie jest wystarczająco odtleniona (tzw. stal wrząca), to w całej objętości wlewka powstaną pęcherzyki gazu. Jeśli stal jest dobrze odtleniona (stal spokojna), to jest odlewana do form z izolowanym, opłacalnym przedłużeniem. W tym miejscu skrystalizują się ostatnie porcje ciekłego metalu. To tutaj gromadzą się gazy. Tworzy to dużą pustkę, zwaną jamą skurczową. W pobliżu wnęki skurczowej metal będzie mniej gęsty, luźny. Dlatego po walcowaniu wlewków ze stali spokojnej odcina się górną (opłacalną) część wlewka (około 15-20% długości wlewka). Podczas walcowania zmienia się kształt pierwotnych kryształów odlewu. Dendryty ulegają deformacji, rozciąganiu wzdłuż kierunku przepływu metalu i zamieniają się we włókna. Połączenia kryształów mają mniejszą wytrzymałość, dlatego wzdłuż włókien odkształcona stal ma większą wytrzymałość i wytrzymałość niż w poprzek. Stopy amorficzne są dość często kruche przy rozciąganiu, ale stosunkowo plastyczne przy zginaniu i ściskaniu i mogą być poddawane walcowaniu na zimno. Stopy amorficzne magnetycznie miękkie dzielą się na trzy grupy. 1. Na bazie żelaza (Fe81Si3 5B13 5C2) o wysokich wartościach indukcji magnetycznej i małej sile koercji. 2. Na bazie kobaltu (CO66Fe4(Mo, Si, B)30charakteryzujący się stosunkowo niską indukcją nasycenia, ale wysokimi właściwościami mechanicznymi, niską siłą koercji i wysoką przenikalnością magnetyczną. 3. Stopy żelazowo-niklowe (Fe40Ni40P14B6) o średniej indukcji magnetycznej i mniejszej sile koercji niż stopy żelaza. Stopy amorficzne magnetycznie miękkie są stosowane w elektrotechnice i przemyśle elektronicznym. 11. Modyfikacja metali. Standardowe testy na rozciąganie, ściskanie, zginanie, twardość, udarność Do ciekłego metalu można dodawać modyfikatory w celu uzyskania pożądanej struktury metalu w odlewach. To jest proces modyfikacji. Zgodnie z mechanizmem wpływu na proces krystalizacji modyfikatory można podzielić na dwie grupy: 1) modyfikatory, które są dodatkowymi centrami krystalizacji; 2) modyfikatory - środki powierzchniowo czynne. Modyfikatory te rozpuszczają się w ciekłym metalu. Proces krystalizacji zależy od dostępnych centrów krystalizacji. Ośrodki te to cząstki ogniotrwałych wtrąceń niemetalicznych, tlenków, związków międzymetalicznych utworzonych przez zanieczyszczenia. Na początku procesu krystalizacji centra znajdują się w ciekłym metalu i mają postać stałych wtrąceń. Podczas krystalizacji atomy metali osadzają się na powierzchni aktywowanego zanieczyszczenia. Ta krystalizacja nazywana jest niejednorodną, w której ściany formy pełnią rolę jąder. Po zestaleniu obecność gotowych centrów krystalizacji prowadzi do zmniejszenia wielkości kryształów. Efekt rozdrobnienia struktury wzrasta, gdy obserwuje się zgodność strukturalną i wymiarową fazy zanieczyszczenia z metalem nieszlachetnym, co przyczynia się do sprzężenia ich sieci krystalicznych. Ciekły metal zawiera rozpuszczone zanieczyszczenia, które powodują uszlachetnienie struktury. Po zaadsorbowaniu zmniejszają napięcie powierzchniowe na granicy faz ciecz-ciało stałe i liniową szybkość wzrostu kryształów. Poprawę właściwości mechanicznych metalu umożliwia udoskonalenie struktury. Aby udoskonalić strukturę stopów, stosuje się operację technologiczną - modyfikację. Operacja ta polega na wprowadzeniu do ciekłego stopu przed odlaniem specjalnych dodatków – modyfikatorów. W tym celu stosuje się środki powierzchniowo czynne, a także pierwiastki tworzące drobne cząstki ogniotrwałe. Modyfikatory dodaje się do stopów. Wzrost temperatury ciekłego metalu przed wylaniem prowadzi do pogrubienia ziarna podczas krystalizacji i odwrotnie, w wyniku schłodzenia metalu następuje zmniejszenie wielkości ziarna. Chłodzenie jest skuteczne w obecności modyfikatorów, które tworzą fazy wraz ze strukturą i wymiarami odpowiadającymi metalowi nieszlachetnemu. Testy standardowe Statyczna próba rozciągania to metoda mechanicznego badania metali. Do badań statycznych wykonuje się okrągłe próbki badanego metalu lub płaskie próbki materiałów blaszanych. Próbki składają się z części roboczej i głowic, które są przeznaczone do mocowania w uchwytach maszyny wytrzymałościowej. Wielkości próbek są znormalizowane. Po rozciągnięciu preparat wydłuża się. Niektóre stopy metali mają współczynnik rozszerzalności liniowej bliski zeru (stosowane do produkcji instrumentów precyzyjnych, lamp radiowych). W zaciskach maszyny wytrzymałościowej instalowana jest okrągła lub płaska próbka standardowych rozmiarów, a zwiększając obciążenie monitorowana jest zmiana jej długości. Urządzenie do pisania maszyny rejestruje wykres rozciągania, który określa właściwości mechaniczne. Twardość to właściwość materiału odporna na odkształcenia kontaktowe, zdolność materiału do przeciwstawienia się wnikaniu ciała stałego - wgłębnika - w jego powierzchnię. Wgłębnik - diamentowa końcówka w kształcie stożka. Testowanie twardości jest najbardziej dostępnym rodzajem testów mechanicznych. Testy twardości przeprowadzane są szybko i nie wymagają skomplikowanych próbek, pozwalają ocenić inne właściwości mechaniczne metali (np. wytrzymałość na rozciąganie). Powszechne są metody wciskania twardych końcówek. Oznaczanie twardości metodą Rockwella. W powierzchnię badanej próbki wciska się stożek stalowy lub diamentowy o kącie 120° lub kulkę stalową hartowaną o średnicy 1,59 mm, a twardość materiału ocenia się z głębokości penetracji w powierzchnię. Na twardościomierzu Rockwella nałożone są trzy skale: A (czarna) – badanie wykonuje się stożkiem diamentowym, twardość jest wskazywana przez HRA; B (czerwony) - test przeprowadza się za pomocą kuli, twardość wskazuje H13B; C (czarny) - badanie przeprowadza się ze stalowym stożkiem, twardość wskazuje HRC. Oznaczanie twardości metodą Vickersa. W powierzchnię próbki wciska się czworościenną piramidę diamentową, a po przekątnej odcisku określa się twardość. Metoda Vickersa umożliwia pomiar twardości miękkich i twardych metali i stopów oraz twardości cienkich warstw powierzchniowych. Testy udarności mierzą zdolność metalu do wytrzymania obciążeń udarowych, którym poddawane są części maszyn podczas pracy. Próby udarności są przeprowadzane na próbkach o standardowych kształtach na przyrządach zwanych wahadłowymi próbnikami udarności. Udarność - praca poświęcona pęknięciu udarowemu próbki i związana z jej polem przekroju poprzecznego przy nacięciu. Testy udarności są przeprowadzane w celu oceny skłonności materiałów do kruchego pękania. Zginanie jest bardziej miękkim sposobem obciążenia niż naciąganie. Materiały niskoplastyczne są testowane pod kątem zginania. Badania przeprowadzane są na próbkach o dużej długości, kształcie cylindrycznym lub prostokątnym. Są instalowane na dwóch wspornikach. Wyznaczone cechy to wytrzymałość na rozciąganie i ugięcie. 12. Przemiany fazowe w ciele stałym Faza to jednorodna część układu, która jest oddzielona od innej części układu (fazy) przez interfejs, przez który następuje gwałtowne zmiany składu chemicznego lub struktury. Podczas krystalizacji czystego metalu w układzie występują dwie fazy: ciekła (roztopiony metal) i stała (ziarna zakrzepłego metalu). W stopach twardych fazami mogą być ziarna czystego metalu, ziarna roztworu stałego i ziarna związków chemicznych. Wiele metali w stanie ciekłym rozpuszcza się jeden w drugim w dowolnym stosunku. W wyniku rozpuszczenia powstaje jednorodny ciekły roztwór o równomiernym rozkładzie atomów jednego metalu wśród atomów innego metalu. W związku z tym oddziaływaniem w praktyce, w celu równomiernego rozprowadzenia substancji w stopie, uciekają się do ich topienia. Niektóre metale, które znacznie różnią się wielkością atomów, nie rozpuszczają się w stanie ciekłym, podczas gdy inne metale w stanie ciekłym rozpuszczają się w ograniczonym stopniu. W tworzeniu stopów podczas ich krzepnięcia możliwe są różne interakcje składników. Jeżeli w procesie krystalizacji siła oddziaływania jednorodnych atomów jest większa niż siła oddziaływania heterogenicznych atomów, to po krystalizacji powstaje mieszanina mechaniczna składająca się z ziaren czystych metali. W takim przypadku w twardym stopie będą obecne ziarna jednego czystego metalu, a obok nich ziarna innego czystego metalu. Ta forma interakcji występuje, gdy występuje duża różnica we właściwościach metali zawartych w stopie. Inną formą interakcji między substancjami tworzącymi stop jest tworzenie roztworów stałych. Roztwory stałe to fazy stałe, w których proporcje między składnikami mogą się zmieniać. W roztworze stałym, podobnie jak w czystych metalach, atomy są rozmieszczone w sposób regularny w przestrzeni i tworzą sieć krystaliczną. Tym różnią się od roztworów płynnych. W roztworze stałym jedna z substancji wchodzących w skład stopu zachowuje swoją wrodzoną sieć krystaliczną, a druga substancja, która utraciła swoją strukturę krystaliczną, jest rozprowadzana w postaci pojedynczych atomów w sieci krystalicznej pierwszej. Pierwsza substancja jest rozpuszczalnikiem, a druga jest rozpuszczalna. W zależności od charakteru rozmieszczenia atomów pierwiastka rozpuszczalnego wyróżnia się roztwory stałe śródmiąższowe, substytucyjne i subtraktywne; Niezależnie od rodzaju roztworu stałego, łączy je to, że są jednofazowe i występują w określonym zakresie stężeń. Roztwory stałe charakteryzują się metalicznym rodzajem wiązania. Niektóre metaloidy mają najmniejsze rozmiary atomów - wodór, azot, węgiel, bor, które tworzą śródmiąższowe roztwory stałe z metalami. Ale nawet w tych pierwiastkach wielkość atomowa nieznacznie przekracza 12b wielkość szczelin międzyatomowych w sieci krystalicznej metali, dlatego podczas tworzenia śródmiąższowych roztworów stałych sieć ulega zniekształceniu i powstają w niej naprężenia. W tym przypadku stężenie stałego roztworu śródmiąższowego nie może być wysokie. Rzadko przekracza 1-2%. W stałych roztworach podstawienia atomy pierwiastka rozpuszczalnego zastępują atomy metalu nieszlachetnego. Obce atomy mogą zastąpić atomy rozpuszczalnika w dowolnym miejscu, dlatego takie roztwory nazywane są nieuporządkowanymi roztworami stałymi. Rozmiary atomów pierwiastka rozpuszczalnego zawsze różnią się od rozmiarów atomu rozpuszczalnika (są większe lub mniejsze), dlatego w przypadku powstania substytucyjnego roztworu stałego sieć krystaliczna metalu rozpuszczalnika ulega zniekształceniu bez utraty swojej podstawowej struktury . Zastępcze roztwory stałe mogą być ograniczone lub nieograniczone. Jednym z warunków nieograniczonej rozpuszczalności jest współczynnik wielkości. Im większa różnica w promieniach atomowych, tym mniejsza rozpuszczalność. Wraz ze spadkiem temperatury w substytucyjnych roztworach stałych następuje proces redystrybucji atomów, w wyniku którego atomy rozpuszczonego pierwiastka zajmą ściśle określone pozycje w sieci rozpuszczalnika. Takie rozwiązania stałe nazywane są uporządkowanymi rozwiązaniami stałymi, a ich konstrukcja nazywana jest nadbudową. Niektóre pierwiastki modyfikują swoją strukturę krystaliczną w zależności od zmian warunków zewnętrznych – temperatury i ciśnienia. W stanie stałym lit i molibden mają sześcienną siatkę skupioną wokół ciała; aluminium, srebro, złoto, platyna - centrowane czołowo i magnez, cyrkon - sześciokątne. Gdy temperatura ulegnie zmianie, może się okazać, że dla tego samego metalu inna siatka będzie stabilniejsza niż ta, która miała inną temperaturę. Zjawisko to nazywa się polimorfizmem. Każdy typ sieci reprezentuje modyfikację lub odmianę alotropową. Podczas przemian polimorficznych metali podstawowe znaczenie ma temperatura. Przemiana jednej formy alotropowej w drugą zachodzi w stałej temperaturze, zwanej temperaturą przemiany polimorficznej, i towarzyszy jej efekt termiczny, podobny do zjawiska topnienia-zestalania lub parowania-kondensacji. Wynika to z konieczności wydania określonej ilości energii na przebudowę sieci krystalicznej. 13. Odkształcenie sprężyste i plastyczne metali Deformacja to zmiana kształtu i wielkości ciała, deformacja może być spowodowana wpływem sił zewnętrznych, a także innymi procesami fizycznymi i mechanicznymi zachodzącymi w ciele. Odkształcenia obejmują takie zjawiska jak ścinanie, ściskanie, rozciąganie, zginanie i skręcanie. Odkształcenie sprężyste to odkształcenie, które znika po usunięciu obciążenia. Odkształcenie sprężyste nie powoduje szczątkowych zmian właściwości i struktury metalu; pod wpływem przyłożonego obciążenia następuje nieznaczne odwracalne przemieszczenie atomów. Kiedy pojedynczy kryształ jest rozciągany, odległości między atomami zwiększają się, a po ściśnięciu atomy zbliżają się do siebie. Gdy atomy są przemieszczane z położenia równowagi, równowaga sił przyciągania i odpychania elektrostatycznego zostaje zakłócona. Po odciążeniu przemieszczone atomy pod wpływem działania sił przyciągania lub odpychania powracają do pierwotnego stanu równowagi, a kryształy uzyskują swoje pierwotne wymiary i kształt. Odkształcenie może być elastyczne, zanikające po usunięciu obciążenia i plastyczne, pozostające po usunięciu obciążenia. Najmniejsze naprężenie powoduje odkształcenie, a początkowe odkształcenia są zawsze sprężyste, a ich wielkość jest bezpośrednio zależna od naprężenia. Główne właściwości mechaniczne to wytrzymałość, plastyczność, elastyczność. Plastyczność jest istotna, warunkuje możliwość wytwarzania wyrobów różnymi metodami obróbki ciśnieniowej. Metody te opierają się na plastycznym odkształceniu metalu. Materiały o zwiększonej plastyczności są mniej wrażliwe na koncentratory naprężeń. W tym celu przeprowadza się ocenę porównawczą różnych metali i stopów, a także kontrolę ich jakości w wytwarzaniu produktów. Fizyczny charakter deformacji metali Pod wpływem naprężeń następuje zmiana kształtu i wielkości ciała. Naprężenia powstają, gdy na ciało działają zewnętrzne siły napięcia, ściskania, a także w wyniku przemian fazowych i innych procesów fizykochemicznych związanych ze zmianą objętości. Metal znajdujący się w stanie naprężonym, pod jakimkolwiek naprężeniem, zawsze doświadcza naprężeń normalnych i stycznych, odkształcenie pod wpływem naprężeń może być elastyczne i plastyczne. Tworzywo sztuczne powstaje pod działaniem naprężeń ścinających. Elastyczny - jest to takie odkształcenie, które po zakończeniu działania, które spowodowało naprężenie, całkowicie znika. Podczas deformacji sprężystej następuje zmiana odległości między atomami w sieci krystalicznej metalu. Wraz ze wzrostem odległości międzyatomowych wzrastają siły wzajemnego przyciągania atomów. Kiedy naprężenie zostanie usunięte pod działaniem tych sił, atomy wracają do swojej pierwotnej pozycji. Znikają zniekształcenia kratowe, ciało całkowicie odzyskuje swój kształt i wymiary. Jeżeli naprężenia normalne osiągną wartość sił wiązania międzyatomowego, to w wyniku oddzielenia nastąpi pęknięcie kruche. Odkształcenie sprężyste jest spowodowane małymi naprężeniami stycznymi. Odkształcenie plastyczne to odkształcenie, które pozostaje po zakończeniu działania naprężeń, które je spowodowały. Podczas odkształcenia plastycznego w sieci krystalicznej metalu pod wpływem naprężeń stycznych następuje nieodwracalne przemieszczenie atomów. Przy niskich napięciach atomy są nieco przesunięte i po usunięciu naprężeń wracają do swojej pierwotnej pozycji. Wraz ze wzrostem naprężenia ścinającego obserwuje się nieodwracalne przemieszczenie atomów o parametr sieci, tj. następuje odkształcenie plastyczne. Wraz ze wzrostem naprężeń ścinających powyżej pewnej wartości odkształcenie staje się nieodwracalne. Po usunięciu obciążenia sprężysty składnik odkształcenia jest eliminowany. Pozostaje część deformacji, która nazywa się plastikiem. Podczas deformacji plastycznej struktura metalu i jego właściwości zmieniają się nieodwracalnie. Odkształcenie plastyczne odbywa się przez poślizg i bliźniaczą. Poślizg w sieci krystalicznej przebiega wzdłuż płaszczyzn i kierunków z gęstym upakowaniem atomów, gdzie opór na ścinanie jest najmniejszy. Wyjaśnia to fakt, że odległość między sąsiednimi płaszczyznami atomowymi jest największa, tj. połączenie między nimi jest najmniejsze. Płaszczyzny poślizgu i kierunki poślizgu leżące w tych płaszczyznach tworzą układ poślizgu. W przypadku metali jeden lub kilka systemów poślizgowych może działać jednocześnie. Metale o sześciennej sieci krystalicznej (fcc i bcc) mają dużą plastyczność, ślizganie się w nich następuje w wielu kierunkach. Procesu ślizgania nie należy przedstawiać jako jednoczesnego ruchu jednej części kryształu względem drugiej, odbywa się on w wyniku ruchu dyslokacji w krysztale. Przemieszczenie dyslokacji w płaszczyźnie poślizgu MM przez kryształ prowadzi do przemieszczenia odpowiedniej części kryształu o jedną odległość międzypłaszczyznową i po prawej stronie powierzchni kryształu powstaje uskok. 14. Rodzaje pęknięć: pojęcia pękania ciągliwego i kruchego Zmęczenie to niszczenie metali pod działaniem powtarzających się obciążeń. Występuje przy sprężynach automatyzacji. Większość uszkodzeń części jest spowodowana zmęczeniem materiału. Zniszczenie zmęczeniowe rozwija się w częściach pracujących przy naprężeniach mniejszych niż granica plastyczności materiału. Odkształcenie sprężysto-plastyczne przy osiągnięciu dostatecznie dużych naprężeń może spowodować zniszczenie nadwozia. Proces niszczenia składa się z kilku etapów: inicjacji mikropęknięć, powstawania makropęknięć oraz propagacji makropęknięć na całym odcinku ciała. Generalnie rozróżnia się pęknięcia ciągliwe i kruche. Rodzaj zniszczenia zależy od wielu czynników: składu metalu, jego stanu strukturalnego, warunków obciążenia i temperatury. Rodzaj pęknięcia, ciągliwe lub kruche, określa się poprzez badanie pęknięć. Kruche pęknięcie charakteryzuje się pęknięciem strumyka. Pęknięcie ciągliwe następuje w wyniku ścinania pod działaniem naprężeń ścinających i towarzyszy mu znaczne odkształcenie plastyczne. Pęknięcie ciągliwe charakteryzuje się pęknięciem włóknistym (matowym) części lub próbki. Kruche pękanie następuje pod działaniem normalnych naprężeń rozciągających, powodując oddzielenie jednej części ciała od drugiej bez widocznych śladów deformacji makroplastycznej. Pęknięcie kruche charakteryzuje się pękaniem krystalicznym (błyszczącym). Kruche pękanie poprzedzone jest odkształceniem plastycznym aż do osiągnięcia przez pęknięcie rozmiaru krytycznego, a następnie pękaniem kruchym, pozbawionym przemieszczeń. Kruche pękanie jest procesem samoistnym. Występowanie mikropęknięć podczas pęknięć plastycznych i kruchych następuje poprzez kumulację dyslokacji przed granicami ziaren lub innymi przeszkodami (wtrącenia niemetaliczne, cząstki węglików, granice międzyfazowe), co prowadzi do koncentracji naprężeń. Analizując mikrostrukturę, rozróżnia się pęknięcia transkrystaliczne (wzdłuż korpusu ziaren) i międzykrystaliczne (wzdłuż granic ziaren). Zniszczenie metalu w warunkach pracy konstrukcji i maszyn może mieć charakter nie tylko ciągliwy lub kruchy, ale także mieszany - plastyczno-kruchy. Materiały ulegają zniszczeniu w różny sposób w przypadku zmęczenia i pod wpływem pojedynczych obciążeń. Pęknięcie charakteryzuje się brakiem zewnętrznych oznak odkształcenia plastycznego w złamaniu, tj. na ogół pęknięcie zmęczeniowe ma charakter pękania kruchego. Jednak w mikroobjętościach i cienkich warstwach przekroju obciążonej próbki mogą wystąpić odkształcenia plastyczne, które prowadzą do inicjacji pęknięć. Pęknięcia te, stopniowo rozwijające się i rozprzestrzeniające, prowadzą do ostatecznego zniszczenia materiału. W przypadku obciążenia zmęczeniowego początek odkształcenia plastycznego wywołanego ruchem dyslokacji może nastąpić przy naprężeniach poniżej granicy plastyczności. Wraz ze wzrostem liczby cykli ładowania wzrasta gęstość dyslokacji, przede wszystkim w warstwach powierzchniowych. Cienkie linie poślizgu na powierzchni zamieniają się w charakterystyczne pasy, których profil prezentowany jest w postaci wypukłości i zagłębień. Głębokość ubytków, w zależności od czasu badania, może sięgać 10-30 µm. Podczas formowania się stabilnych pasm poślizgu naprzemiennie występują regiony o dużej i małej gęstości dyslokacji. Pęknięcia zmęczeniowe powstają w zagłębieniach powierzchniowych. Jeden z możliwych mechanizmów powstawania występów i wnęk jest związany z ruchem kołowym zwichnięć śrub. Przemieszczenie śruby przesuwa się z jednej płaszczyzny do drugiej wzdłuż zamkniętego konturu za pomocą poślizgu poprzecznego. W rezultacie zwichnięcie dociera do powierzchni, na której powstają występy i zagłębienia. Mikropęknięcia pod obciążeniem cyklicznym ulegają zarodkowaniu na początkowym etapie badania z powodu napływu wakatów, a następnie tworzenia i koalescencji mikroporów. W próbce może powstać duża liczba mikropęknięć. Ale w przyszłości nie wszystkie mikropęknięcia rozwijają się, ale tylko te, które mają najostrzejsze szczyty i są najkorzystniej zlokalizowane w stosunku do działających naprężeń. Najdłuższe, najostrzejsze i najgłębsze pęknięcie, które rozchodzi się po przekroju próbki, prowadzi do ostatecznego zniszczenia próbki: dla pęknięcia zmęczeniowego próbki typowa jest obecność strefy narastającego pęknięcia i strefy pęknięcia końcowego. W strefie narastającego pęknięcia obserwuje się paski w postaci zakrzywionych linii. Opaski powstają w wyniku szarpnięć i opóźnień w ruchu pęknięcia spowodowanych twardnieniem metalu u jego podstawy i rozszerzaniem się jego czoła. Koncentratory naprężeń istotnie wpływają na proces niszczenia pod obciążeniami cyklicznymi. Koncentratory naprężeń mogą być konstrukcyjne (ostre przejścia z sekcji na sekcję), technologiczne (zarysowania, pęknięcia, zagrożenia ze strony noża), metalurgiczne (pory, muszle). Niezależnie od ich pochodzenia, koncentratory naprężeń w pewnym stopniu zmniejszają granicę wytrzymałości na tym samym poziomie naprężeń przemiennych. Aby ocenić wpływ koncentratora naprężeń na zmęczenie, gładkie i karbowane próbki są testowane w symetrycznym cyklu naprężeń. Nacięcie na próbce wykonuje się w postaci ostrego okrągłego podcięcia. 15. Właściwości elektryczne materiałów przewodzących Jako materiały przewodzące stosuje się czyste metale i stopy metali. Czyste metale mają największą przewodność, z wyjątkiem rtęci. Miedź i aluminium służą do produkcji kabli i przewodów nawojowych, montażowych i instalacyjnych. Aluminium należy do grupy metali lekkich. Jego gęstość wynosi 2,7 g/cm3. Dostępność, wysoka przewodność i odporność na korozję atmosferyczną umożliwiły szerokie zastosowanie aluminium w elektrotechnice. Wadami aluminium jest niska wytrzymałość mechaniczna na rozciąganie i zwiększona miękkość nawet w przypadku aluminium ciągnionego na twardo. Aluminium to metal w kolorze srebrnym lub srebrno-białym. Jego temperatura topnienia wynosi 658-660°C. Gołe druty aluminiowe mogą pracować dość długo, ponieważ aluminium w krótkim czasie pokryte jest cienką warstwą tlenku. Służy to jako ochrona przed tlenem. Powłoka tlenkowa na drutach aluminiowych ma znaczną rezystancję elektryczną, dlatego na połączeniach drutów aluminiowych powstają duże rezystancje przejściowe. Połączenia są czyszczone za pomocą wazeliny, aby zapobiec wpływowi tlenu na aluminium. Podczas zwilżania złączy drutów aluminiowych innymi drutami z innych metali (miedź, żelazo) uzyskanymi mechanicznie (połączenia śrubowe) powstają pary galwaniczne o określonej sile elektromotorycznej. W takim przypadku drut aluminiowy pod wpływem prądu lokalnego zostanie zniszczony. Aby zapobiec tworzeniu się oparów galwanicznych w wilgotnej atmosferze, połączenia z innymi przewodami wykonanymi z innych metali należy starannie zabezpieczyć przed wilgocią poprzez lakierowanie i innymi metodami. Tlenki azotu (NO), chlor (Cl), dwutlenek siarki (SCy, kwas solny i siarkowy oraz inne czynniki) powodują bezpośrednią korozję aluminium.Niezawodne połączenia przewodów między sobą, jak również z przewodami z innych metali, wykonuje się za pomocą spawanie na zimno lub na gorąco.Im wyższa czystość chemiczna aluminium, tym lepiej jest odporny na korozję.Dlatego do produkcji elektrod w kondensatorach elektrycznych, do produkcji aluminium stosuje się najczystsze gatunki aluminium o zawartości czystego metalu 99,5% folia i druty nawojowe o małych średnicach 0,05-0,08 mm Stosowane jest aluminium przewodzące, zawierające co najmniej 99,7% czystego metalu Aluminium jest używane do produkcji drutu o zawartości czystego metalu co najmniej 99,5%. Drut aluminiowy jest produkowany przez ciągnienie i walcowanie. Istnieją trzy rodzaje drutu aluminiowego: AM (wyżarzony na miękko), APT (półtwardy) i AT (wyżarzony twardy). Drut produkowany jest o średnicy od 0,08 do 10 mm. Półprzewodniki to ogromna dziedzina materiałów, które różnią się między sobą szeroką gamą właściwości elektrycznych i fizycznych, a także dużą różnorodnością składu chemicznego, co determinuje różne zastosowania w ich technicznym zastosowaniu. Zgodnie z ich naturą chemiczną półprzewodniki można podzielić na następujące cztery główne grupy. 1. Krystaliczne materiały półprzewodnikowe zbudowane z atomów i cząsteczek jednego pierwiastka. 2. Tlenki krystaliczne materiały półprzewodnikowe, czyli materiały z tlenków metali. 3. Krystaliczne materiały półprzewodnikowe na bazie związków atomów trzeciej i piątej grupy układu pierwiastków układu okresowego. 4. Krystaliczne materiały półprzewodnikowe na bazie związków siarki, selenu, miedzi, ołowiu - nazywane są siarczkami, selenkami. Węglik krzemu należy do pierwszej grupy materiałów półprzewodnikowych i jest najpowszechniejszym materiałem monokrystalicznym. Ten materiał półprzewodnikowy jest mieszaniną wielu małych kryształów losowo zlutowanych ze sobą. Węglik krzemu powstaje w wysokiej temperaturze w wyniku połączenia grafitu i krzemu. Znajduje zastosowanie w fotokomórkach, diodach. W praktyce bardzo ważna jest możliwość podwyższenia temperatury pracy izolacji. W maszynach i aparatach elektrycznych zwiększenie nagrzewania, które zwykle jest ograniczone właśnie przez materiały elektroizolacyjne, umożliwia uzyskanie większej mocy przy tych samych wymiarach lub przy zachowaniu mocy, zmniejszenie gabarytów i kosztów produktu. GOST przewiduje podział materiałów elektroizolacyjnych do maszyn elektrycznych, transformatorów i aparatury na klasy odporności na ciepło, dla których ustala się najwyższe dopuszczalne temperatury pracy, gdy materiały te są stosowane w urządzeniach elektrycznych ogólnego przeznaczenia, które działają przez długi czas przy normalnej pracy warunki dla tego typu urządzeń elektrycznych. W tych temperaturach zapewniona jest rozsądna żywotność sprzętu elektrycznego. Klasa Y obejmuje materiały włókniste na bazie celulozy i jedwabiu (przędza, tkaniny, taśmy, papier, tektura, drewno itp.), chyba że są impregnowane i zanurzone w płynnej warstwie elektroizolacyjnej. 16. Metody określania właściwości elektrycznych Metale o dużej przewodności elektrycznej (miedź, aluminium) wykorzystuje się w elektrotechnice do budowy linii energetycznych, a stopy o dużej rezystancji elektrycznej stosuje się do żarówek elektrycznych urządzeń grzewczych. Właściwości cieplne dielektryków: odporność cieplna, odporność na zimno, przewodność cieplna, rozszerzalność cieplna. Odporność cieplna to zdolność materiałów i produktów elektroizolacyjnych do wytrzymywania wysokich temperatur przez pewien czas bez szkody dla nich. Odporność cieplną nieorganicznych dielektryków określa się na początku znaczącej zmiany właściwości elektrycznych. Odporność cieplna organicznych dielektryków zależy od wystąpienia mechanicznych odkształceń rozciągających lub zginających, zanurzenia igły w materiale pod ciśnieniem po podgrzaniu oraz od właściwości elektrycznych. Starzenie termiczne izolacji to pogorszenie jakości izolacji, determinowane długotrwałym narażeniem na podwyższone temperatury. Na szybkość starzenia ma wpływ temperatura, w której pracuje izolacja maszyn elektrycznych i innych struktur elektroizolacyjnych. Na tempo starzenia wpływają również zmiany ciśnienia powietrza czy stężenia tlenu, obecność ozonu, odczynniki chemiczne spowalniające lub przyspieszające starzenie. Starzenie termiczne jest przyspieszone przez ekspozycję na promienie ultrafioletowe, przez ekspozycję na pole elektryczne, naprężenia mechaniczne. GOST przewiduje podział materiałów elektroizolacyjnych dla maszyn elektrycznych, transformatorów i aparatów na klasy odporności cieplnej. W akceptowalnych temperaturach zapewniona jest rozsądna żywotność sprzętu elektrycznego. Klasa Y: Materiały włókniste na bazie celulozy i jedwabiu nieimpregnowane ani nie zanurzone w płynnej warstwie izolacji elektrycznej. Klasa A: organiczne materiały włókniste pracujące z impregnowanymi lakierami i zanurzone w płynnym materiale elektroizolacyjnym, tj. chronione przed tlenem atmosferycznym. Klasa E: tworzywa sztuczne z wypełniaczem organicznym i spoiwem termoutwardzalnym, np. żywice fenolowo-formaldehydowe i podobne, izolacja przewodów emaliowanych na lakierach poliuretanowych i epoksydowych. Klasy Y, A, E obejmują czysto organiczne materiały elektroizolacyjne. Wytrzymałość dielektryczna zależy od napięcia przebicia związanego z prądem dielektrycznym w miejscu przebicia. Rozpad ciekłych dielektryków następuje w wyniku procesów termicznych jonizacji. Głównym czynnikiem przebicia jest obecność obcych zanieczyszczeń. Obecność zanieczyszczeń utrudnia stworzenie teorii rozkładu dla tych substancji. Dlatego idee teorii przebicia elektrycznego stosuje się do cieczy maksymalnie oczyszczonych z zanieczyszczeń. Przy wysokich natężeniach pola elektrycznego elektrony mogą być wyrzucane z metalu elektrod, a cząsteczki samej cieczy mogą zostać zniszczone w wyniku zderzeń z naładowanymi cząstkami. W tym przypadku większą wytrzymałość dielektryczną dielektryków ciekłych w porównaniu z dielektrykami gazowymi tłumaczy się znacznie krótszą drogą swobodnej średniej elektronów. Rozpad cieczy zawierających wtrącenia gazowe tłumaczy się miejscowym przegrzaniem cieczy (ze względu na energię uwalnianą w stosunkowo łatwo zjonizowanych pęcherzykach gazu), co prowadzi do powstania kanału gazowego między elektrodami. Obecność wody w ciekłym dielektryku zmniejsza jego wytrzymałość dielektryczną. Woda o normalnej temperaturze zawarta jest w dielektryku w postaci maleńkich kropelek. Pod wpływem pola elektrycznego kropelki ulegają polaryzacji i tworzą między elektrodami łańcuchy o zwiększonej przewodności, wzdłuż których następuje przebicie elektryczne. Obserwuje się szczególną zależność wytrzymałości elektrycznej ciekłego dielektryka zawierającego wodę od temperatury. Wraz ze wzrostem temperatury woda przechodzi w stan roztworu molekularnego, w którym ma niewielki wpływ na wytrzymałość elektryczną. Wytrzymałość elektryczna ciekłego dielektryka wzrasta do pewnego maksimum. Dalszy spadek mocy elektrycznej tłumaczy się zjawiskiem wrzenia cieczy. Wzrost wytrzymałości elektrycznej oleju transformatorowego w niskich temperaturach wiąże się ze wzrostem lepkości oleju i niższymi wartościami stałej dielektrycznej lodu w porównaniu z wodą. Wtrącenia stałe (sadza, włókna) zniekształcają pole elektryczne wewnątrz cieczy, a także prowadzą do zmniejszenia wytrzymałości elektrycznej cieczy dielektrycznych. Oczyszczanie ciekłych dielektryków z zanieczyszczeń znacznie zwiększa wytrzymałość dielektryczną. Na przykład nierafinowany olej transformatorowy ma wytrzymałość elektryczną około 4 MV/m; po dokładnym oczyszczeniu wzrasta do 20-25 MV/m. Na rozkład ciekłych dielektryków, takich jak gazy, wpływa kształt elektrod: wraz ze wzrostem stopnia niejednorodności pola elektrycznego napięcie przebicia w tych samych odległościach maleje. W niejednorodnych polach elektrycznych, a także w gazach może nastąpić niepełny rozkład - korona. Długotrwałe wyładowania koronowe w ciekłych dielektrykach są niedopuszczalne, gdyż powodują rozkład cieczy. Częstotliwość prądu wpływa na wytrzymałość dielektryczną. 17. Pojemność cieplna i przewodność cieplna metali i stopów Pojemność cieplna to zdolność substancji do pochłaniania ciepła po podgrzaniu. Jego cechą charakterystyczną jest pojemność cieplna właściwa - ilość energii pochłoniętej przez jednostkę masy po podgrzaniu o jeden stopień. Możliwość pęknięć w metalu zależy od wielkości przewodności cieplnej. Jeśli przewodność cieplna jest niska, ryzyko pęknięć wzrasta. Zatem stale stopowe mają przewodność cieplną pięciokrotnie mniejszą niż przewodność cieplna miedzi i aluminium. Wielkość pojemności cieplnej wpływa na poziom paliwa zużytego do ogrzania przedmiotu obrabianego do określonej temperatury. W przypadku stopów metali ciepło właściwe mieści się w zakresie 100-2000 J/(kg*K). W przypadku większości metali pojemność cieplna wynosi 300-400 J / (kg * K). Pojemność cieplna materiałów metalicznych wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Materiały polimerowe mają z reguły pojemność cieplną właściwą 1000 J/(kg·K) lub więcej. Właściwości elektryczne materiałów charakteryzują się obecnością nośników ładunku elektronów lub jonów oraz ich swobodą poruszania się pod wpływem pola elektrycznego. Wysokie energie wiązań kowalencyjnych i jonowych nadają właściwości dielektryczne materiałom z tego typu wiązaniami. Ich słaba przewodność elektryczna wynika z wpływu zanieczyszczeń, a pod wpływem wilgoci, która tworzy przewodzące roztwory z zanieczyszczeniami, przewodność elektryczna takich materiałów wzrasta. Materiały z różnymi typami wiązań mają różne współczynniki temperaturowe oporu elektrycznego: dla metali jest dodatni, dla materiałów z wiązaniami kowalencyjnymi i jonowymi jest ujemny. Podczas podgrzewania metali stężenie nośników ładunku - elektronów - nie wzrasta, a opór ich ruchu wzrasta w wyniku wzrostu amplitud drgań atomowych. W materiałach z wiązaniami kowalencyjnymi lub jonowymi po podgrzaniu stężenie nośników ładunku wzrasta tak bardzo, że wpływ zakłóceń ze strony zwiększonych wibracji atomowych zostaje zneutralizowany. Przewodność cieplna to przenoszenie energii cieplnej w ciałach stałych, cieczach i gazach przy makroskopowej bezruchu cząstek. Przenoszenie ciepła zachodzi z gorętszych cząstek do zimniejszych i jest zgodne z prawem Fouriera. Przewodność cieplna zależy od rodzaju wiązania międzyatomowego, temperatury, składu chemicznego i struktury materiału. Ciepło w ciałach stałych jest przenoszone przez elektrony i fonony. Mechanizm wymiany ciepła zależy przede wszystkim od rodzaju połączenia: w metalach ciepło przenoszone jest przez elektrony; w materiałach z wiązaniem kowalencyjnym lub jonowym - fonony. Diament jest najbardziej przewodzącym ciepło. W półprzewodnikach o bardzo małej koncentracji nośników ładunku przewodnictwo cieplne realizowane jest głównie przez fonony. Im doskonalsze kryształy, tym wyższa jest ich przewodność cieplna. Monokryształy lepiej przewodzą ciepło niż polikryształy, ponieważ granice ziaren i inne defekty w strukturze kryształu rozpraszają fonony i zwiększają opór elektryczny. Sieć krystaliczna tworzy okresową przestrzeń energetyczną, w której przenoszenie ciepła przez elektrony lub fonony jest ułatwione w porównaniu ze stanem amorficznym. Im więcej zanieczyszczeń zawiera metal, tym drobniejsze są jego ziarna i im bardziej zniekształcona jest sieć krystaliczna, tym niższa jest przewodność cieplna. Im większe ziarna, tym wyższa przewodność cieplna. Dodawanie stopów wprowadza zniekształcenia do sieci krystalicznych roztworów stałych i zmniejsza przewodność cieplną w porównaniu z czystym metalem - podstawą stopu. Składniki strukturalne stanowiące rozproszone mieszaniny kilku faz (eutektyki, eutektoidy) zmniejszają przewodność cieplną. Struktury o równomiernym rozkładzie cząstek fazowych mają niższą przewodność cieplną niż baza stopowa. Ostatecznym typem takiej struktury jest materiał porowaty. W porównaniu do ciał stałych gazy są izolatorami ciepła. Grafit ma wysoką przewodność cieplną. Gdy ciepło jest przekazywane równolegle do warstw atomów węgla płaszczyzny podstawowej, przewodność cieplna grafitu przewyższa przewodność cieplną miedzi ponad 2 razy Rozgałęzione płyty grafitowe z żeliwa szarego mają strukturę monokrystaliczną, dzięki czemu mają wysoką przewodność cieplną. Żeliwo sferoidalne z grafitem sferoidalnym przy takim samym udziale objętościowym grafitu ma przewodność cieplną 25...40 W/m*K, czyli prawie o połowę mniejszą niż żeliwo szare. Po podgrzaniu przewodność cieplna stali różnych klas zbiega się. Szkło ma niską przewodność cieplną. Materiały polimerowe słabo przewodzą ciepło, przewodność cieplna większości termoplastów nie przekracza 1,5 W/(mOK). Przewodność cieplna może się zmieniać w taki sam sposób jak przewodność elektryczna, jeśli elektroniczna przewodność cieplna metalu jest niska. Wówczas wszelkie zmiany zachodzące w składzie chemicznym i fazowym oraz strukturze stopu wpływają na przewodność cieplną, a także na przewodność elektryczną (zgodnie z regułą Wiedemanna-Franza). W miarę oddalania się składu stopu od czystych składników zmniejsza się przewodność cieplna. Wyjątkiem są np. stopy miedziowo-niklowe, w których występują zjawiska odwrotne. 18. Dylatometria. Właściwości magnetyczne metali i stopów. Metody oznaczania Dylatometria - dział fizyki; zadanie główne: badanie wpływu warunków zewnętrznych (temperatura, ciśnienie, pola elektryczne, magnetyczne, promieniowanie jonizujące) na wymiary ciał. Główny przedmiot badań: rozszerzalność cieplna ciał i wynikające z niej anomalie. Metoda dylatometryczna. Podczas podgrzewania metali i stopów zmienia się objętość i wymiary liniowe korpusu - rozszerzalność cieplna. Jeżeli zmiany te spowodowane są jedynie wzrostem energii wibracyjnej atomów na skutek wzrostu temperatury, to gdy temperatura powróci do poprzedniego poziomu, przywracane są pierwotne wymiary ciała. Jeśli podczas ogrzewania (lub chłodzenia) w ciele zachodzą przemiany fazowe, wówczas zmiany wielkości mogą być nieodwracalne. Zmiany wielkości ciał związane z ogrzewaniem i chłodzeniem bada się za pomocą specjalnych urządzeń - dylatometrów. Metoda dylatometryczna jest metodą wyznaczania punktów krytycznych metali i stopów, badania procesów rozkładu roztworów stałych oraz ustalania zakresów temperatur występowania faz wzmacniających. Zaletą tych urządzeń jest ich wysoka czułość i niezależność odczytów od szybkości zmian temperatury. Wysoka czułość metod pomiaru elektrycznego znajduje szerokie zastosowanie w badaniu przemian fazowych, wad struktury drobnej oraz innych zjawisk zachodzących w metalach i stopach, których nie można zbadać innymi metodami badawczymi. Opór elektryczny jest mierzony za pomocą różnych obwodów mostkowych, a także metod kompensacji. W badaniu procesów związanych z przejściem ze stanu paramagnetycznego do stanu ferromagnetycznego (lub odwrotnie) stosuje się różne metody analizy magnetycznej i możliwe jest ilościowe określenie tych procesów. Analiza magnetyczna jest szeroko stosowana w rozwiązywaniu problemów praktycznej metalurgii, takich jak badanie wpływu obróbki cieplnej, deformacji i tworzenia stopów na konstrukcję. Możliwe jest również wykorzystanie analizy magnetycznej do rozwiązywania bardziej złożonych problemów metalurgii fizycznej. Metoda tarcia wewnętrznego opiera się na badaniu nieodwracalnych strat energii drgań mechanicznych wewnątrz ciała stałego. Stosując tę metodę można z dużą dokładnością obliczyć współczynniki dyfuzji, również w niskich temperaturach, gdzie nie ma zastosowania żadna inna metoda; określić zmianę stężenia roztworów stałych; dystrybucja zanieczyszczeń; uzyskać informacje o przemianach fazowych i polimorficznych oraz zmianach w strukturze dyslokacyjnej. Stale i stopy magnetycznie twarde są używane do wytwarzania magnesów trwałych. W przypadku magnesów trwałych stosuje się stale wysokowęglowe z 1% C, stopowe z chromem (3%) EX3, a także jednocześnie z chromem i kobaltem, EX5K5, EX9K15M2. Pierwiastki stopowe zwiększają energię koercyjną i magnetyczną. Stopy typu Alnico znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle. Stopy są twarde, kruche i nieodkształcalne, dlatego wykonuje się z nich magnesy przez odlewanie, a następnie przeprowadza się szlifowanie. Materiały dzielimy na diamagnesy, paramagnesy i ferromagnetyki, w zależności od stopnia ich podatności magnetycznej i tego, jaki jest ich znak. Diamagnesy mają ujemną podatność magnetyczną. Ich namagnesowanie jest skierowane przeciwnie do przyłożonego pola magnetycznego. Prowadzi to do osłabienia tego pola. Półprzewodniki (Si, Ge), dielektryki (polimery), niektóre metale nieprzejściowe (Be, Cu, Ag, Pb) to diamagnetyki. Paramagnesy charakteryzują się niskim namagnesowaniem, które zachodzi pod wpływem pola zewnętrznego. Paramagnesy to K, Na, Al oraz metale przejściowe Mo, W, Ti. Ferromagnesy charakteryzują się dużą podatnością magnetyczną. Należą do nich: żelazo, kobalt, nikiel i gadolin. Charakterystyki: indukcja szczątkowa Vg, siła koercji Hc i przenikalność magnetyczna m = V/N. Indukcja szczątkowa - indukcja magnetyczna, która pozostaje w próbce w wyniku jej namagnesowania i dalszego rozmagnesowania. Siła przymusu - siła pola magnetycznego przeciwnego znaku, przyłożona do próbki w celu jej rozmagnesowania. Przepuszczalność magnetyczna jest główną cechą intensywności namagnesowania. Po wyznaczeniu tangensa kąta nachylenia do pierwotnej krzywej namagnesowania B = f(H) można obliczyć przenikalność magnetyczną. Stop YUNDK15 zawiera 18-19% Ni, 8.5-9.5% Al, 14-15% Co i 3-4% Cu. Do produkcji obwodów magnetycznych prądu stałego i przemiennego stosowane są stale magnetycznie miękkie (stal elektrotechniczna) (1212, 1311, 1511, 2011, 2013, 2211, 2312, 2412, 3415, 3416, 79NM, 81NMA). Przeznaczone są do produkcji tworników i biegunów maszyn prądu stałego, wirników i stojanów silników asynchronicznych itp. Stale paramagnetyczne (17Kh18N9, 12Kh18N10T, 55G9N9Kh3, 40G14N9F2, 40Kh14N9Kh3YuF2 itp.) są wymagane w elektrotechnice, budowie przyrządów, przemyśle stoczniowym i specjalnych obszarach technologii. Wadą tych stali jest ich niska granica plastyczności (150-350 MPa), co utrudnia ich stosowanie na mocno obciążone części maszyn. 19. Wartość właściwości mechanicznych i fizycznych w eksploatacji wyrobów Właściwości jako wskaźniki jakości materiału Właściwości metali dzielimy na fizyczne, chemiczne, mechaniczne i technologiczne. Właściwości fizyczne obejmują: kolor, ciężar właściwy, topliwość, przewodność elektryczną, właściwości magnetyczne, przewodność cieplną, pojemność cieplną, rozszerzalność po podgrzaniu. Chemiczna - utlenianie, rozpuszczalność i odporność na korozję. Mechaniczne - wytrzymałość, twardość, elastyczność, lepkość, plastyczność. Do technologicznej - hartowność, płynność, ciągliwość, spawalność, skrawalność. Wytrzymałość metalu to jego zdolność do przeciwstawiania się siłom zewnętrznym bez pękania. Twardość to zdolność ciała do przeciwstawienia się penetracji innego, twardszego ciała. Sprężystość to właściwość metalu polegająca na przywracaniu kształtu po ustaniu działania sił zewnętrznych, które spowodowały zmianę kształtu (odkształcenie). Wytrzymałość to zdolność metalu do przeciwstawiania się szybko rosnącym (uderzeniom) siłom zewnętrznym. Lepkość jest przeciwieństwem kruchości. Plastyczność to właściwość metalu, która odkształca się bez zniszczenia pod wpływem sił zewnętrznych i zachowuje nowy kształt po ustaniu działania siły. Plastyczność jest odwrotną właściwością sprężystości. Nowoczesne metody badania metali to testy mechaniczne, analiza chemiczna, analiza spektralna, analiza metalograficzna i rentgenowska, próbki technologiczne, defektoskopia. Badania te dają możliwość poznania natury metali, ich struktury, składu i właściwości, a także określenia dobrej jakości gotowych produktów. Testy mechaniczne mają ogromne znaczenie w przemyśle. Szczegóły maszyn, mechanizmów i konstrukcji pracujących pod obciążeniem. Obciążenia części są różnego rodzaju: niektóre części są obciążone siłą stale działającą w jednym kierunku, inne podlegają uderzeniom, a w innych siły mniej lub bardziej zmieniają się pod względem wielkości i kierunku. Niektóre części maszyn poddawane są obciążeniom w podwyższonych temperaturach pod wpływem korozji; takie części pracują w trudnych warunkach. Zgodnie z tym opracowano różne metody badania metali, za pomocą których określa się właściwości mechaniczne. Najczęstsze testy to statyczne testy rozciągania, dynamiczne i twardości. Testy statyczne to takie testy, w których badany metal jest poddawany stałej sile lub sile, która rośnie bardzo powoli. Testy dynamiczne to takie testy, w których badany metal jest poddawany uderzeniu lub sile, która bardzo szybko rośnie. Ponadto w niektórych przypadkach wykonywane są testy zmęczeniowe, pełzania i zużycia, które dają pełniejszy obraz właściwości metali. Właściwości mechaniczne to wystarczająca wytrzymałość. Metale mają wyższą wytrzymałość w porównaniu z innymi materiałami, dlatego obciążone części maszyn, mechanizmów i konstrukcji są zwykle wykonane z metali. Do produkcji sprężyn i sprężyn stosuje się specjalne stale i stopy o wysokiej elastyczności. Plastyczność metali umożliwia ich obróbkę ciśnieniową (kucie, walcowanie). właściwości fizyczne. W budowie samolotów, samochodów i wagonów waga części jest często najważniejszą cechą, dlatego stopy aluminium i magnezu są tu szczególnie przydatne. Wytrzymałość właściwa niektórych stopów aluminium jest wyższa niż w przypadku stali miękkiej. Topliwość jest wykorzystywana do wykonywania odlewów poprzez wlewanie stopionego metalu do form. Jako środek do hartowania stali stosuje się metale niskotopliwe (ołów). Niektóre złożone stopy mają niską temperaturę topnienia, która topi się w gorącej wodzie. Takie stopy są wykorzystywane do odlewania matryc drukarskich, w urządzeniach służących do ochrony przed pożarami. Metale o wysokiej przewodności elektrycznej stosowane są w elektrotechnice, do budowy linii energetycznych, a stopy o wysokiej rezystancji elektrycznej do żarowych grzejników elektrycznych. Właściwości magnetyczne metali odgrywają podstawową rolę w elektrotechnice (silniki elektryczne, transformatory), w oprzyrządowaniu elektrycznym (zestawy telefoniczne i telegraficzne). Przewodność cieplna metali umożliwia wytworzenie ich równomiernego ogrzewania do obróbki ciśnieniowej, obróbki cieplnej; zapewnia możliwość lutowania metali, ich spawania. Właściwości chemiczne. Odporność korozyjna jest szczególnie istotna w przypadku produktów pracujących w środowiskach silnie utlenionych (ruszty rusztowe, części maszyn przemysłu chemicznego). W celu uzyskania wysokiej odporności na korozję produkowane są specjalne stale nierdzewne, kwasoodporne i żaroodporne, a na wyroby stosowane są również powłoki ochronne. 20. Rodzaje faz w stopach metali. Zasada fazy; reguła dźwigni Wykres stanu to graficzna reprezentacja stanu dowolnego stopu badanego układu, w zależności od jego stężenia i temperatury. Badanie dowolnego stopu rozpoczyna się od konstrukcji i analizy diagramu stanu odpowiedniego systemu. Diagram stanu umożliwia badanie faz i składników strukturalnych stopu. Korzystając z wykresu stanów można ustalić możliwość obróbki cieplnej i jej trybów, temperatury odlewania, odkształcenia plastycznego na gorąco. W każdym systemie liczba faz, które są w równowadze, zależy od warunków wewnętrznych i zewnętrznych. Prawa wszystkich zmian zachodzących w układzie podlegają ogólnemu prawu równowagi, zwanemu regułą fazy lub prawem Gibbsa. Reguła faz wyraża zależność między liczbą stopni swobody C (wariancja) układu, liczbą składników K i liczbą faz układu Ф, które są w równowadze. Stopnie swobody nazywane są niezależnymi parametrami termodynamicznymi, którym można nadać dowolne (w pewnym przedziale) wartości tak, aby stany fazowe nie ulegały zmianie (stare fazy nie znikają i nie pojawiają się nowe). Zazwyczaj wszystkie przemiany metali i stopów zachodzą przy stałym ciśnieniu atmosferycznym. Następnie reguła fazowa jest zapisana w następujący sposób: C = K - F + 1. Równanie reguł fazowych pozwala skorygować poprawność konstruowania diagramów stanów. Faza jest jednorodną częścią układu, która jest oddzielona od innych części układu (faz) przez interfejs, przez który następuje gwałtowne zmiany składu chemicznego lub struktury substancji. Jednorodna ciecz jest układem jednofazowym, a mechaniczna mieszanina dwóch kryształów jest dwufazowa, ponieważ każdy kryształ różni się od drugiego składem lub strukturą i są oddzielone od siebie powierzchnią rozdziału faz. Składniki to substancje tworzące system. Konstrukcję diagramów fazowych przeprowadza się różnymi metodami eksperymentalnymi. Często stosowana jest metoda analizy termicznej. Wybrano kilka stopów tego układu o różnych stosunkach masowych ich składników składowych. Stopy umieszcza się w tyglach ogniotrwałych i ogrzewa w piecu. Po stopieniu stopów tygle ze stopami są powoli schładzane i rejestrowana jest szybkość chłodzenia. Na podstawie uzyskanych danych wykreślane są krzywe termiczne we współrzędnych czas-temperatura. W wyniku pomiarów uzyskuje się szereg krzywych chłodzenia, w których obserwuje się punkty przegięcia i przystanki temperaturowe w temperaturach przemian fazowych. Temperatury odpowiadające przemianom bezfazowym nazywane są punktami krytycznymi. Punkty odpowiadające początkowi krystalizacji nazywane są punktami likwidusu, a koniec krystalizacji nazywane są punktami solidusu. Na podstawie uzyskanych krzywych chłodzenia dla różnych stopów badanego układu budowany jest diagram fazowy we współrzędnych; oś odciętych to stężenie składników, oś rzędnych to temperatura. W procesie krystalizacji zmienia się zarówno stężenie faz, jak i ilość każdej fazy. W dowolnym punkcie wykresu, gdy w stopie występują jednocześnie dwie fazy, można określić ilość obu faz i ich stężenie. W tym celu stosuje się zasadę dźwigni lub zasadę segmentów. Reguła segmentacji. Schemat ten obejmuje stopy, których składniki tworzą mieszaniny praktycznie czystych ziaren o znikomej wzajemnej rozpuszczalności. Odcięta pokazuje procent składnika B w stopie. Struktura fazowa stopów na schemacie zależy od temperatury. Wraz z termodynamicznym oddziaływaniem składników na siebie temperatura ich przejścia w stan ciekły spada, osiągając pewne minimum przy składzie określonym dla każdej pary składników. Skład stopu można określić rzutując punkt C na oś odciętych (punkt Ve). Stop dwóch składników, który topi się w minimalnej temperaturze, nazywany jest eutektyką lub eutektyką. Eutektyka jest jednorodną mieszaniną jednocześnie skrystalizowanych małych ziaren obu składników. Temperatura, w której oba składniki jednocześnie topią się lub krystalizują, nazywana jest temperaturą eutektyczną. Zmiany ilościowe stopów danego układu składników podczas krystalizacji podlegają zasadzie segmentów. Aby określić stężenia składników w fazach, przez dany punkt rysuje się poziomą linię charakteryzującą stan stopu, aż przetnie się z liniami ograniczającymi ten obszar; rzuty punktów przecięcia na oś stężenia pokazują składy faz. Rysując poziomą linię przez dany punkt, możesz określić stosunek ilościowy faz. Odcinki tej linii pomiędzy danym punktem a punktami określającymi skład faz są odwrotnie proporcjonalne do ilości tych faz. Reguła segmentowa w diagramach dwustanowych jest używana tylko w obszarach dwufazowych. W regionie jednofazowym jest tylko jedna faza; każdy punkt wewnątrz regionu charakteryzuje jego koncentrację. 21. Stałe rozwiązania substytucji i insercji; fazy pośrednie; nadbudówki Roztwory stałe to fazy, w których jeden ze składników stopu zachowuje swoją sieć krystaliczną, natomiast atomy pozostałych składników znajdują się w sieci pierwszego składnika, zmieniając swoje wymiary (okresy). Roztwór stały, który składa się z dwóch składników, ma jeden rodzaj sieci i reprezentuje jedną fazę. Rozróżnij substytucyjne roztwory stałe i śródmiąższowe roztwory stałe. Gdy tworzy się zastępczy roztwór stały, atomy rozpuszczonego składnika zastępują niektóre atomy rozpuszczalnika w jego sieci krystalicznej. Kiedy czysty metal krystalizuje, w układzie występują dwie fazy: ciekła (stopiony metal) i stała (ziarna zestalonego metalu). W stopach twardych fazami są ziarna czystego metalu, ziarna roztworu stałego i ziarna związku chemicznego. Wszystkie metale w stanie ciekłym rozpuszczają się jeden w drugim w dowolnym stosunku. W wyniku rozpuszczenia powstaje jednorodny ciekły roztwór o równomiernym rozkładzie atomów jednego metalu wśród atomów innego metalu. Niektóre metale, które różnią się znacznie wielkością atomową, nie rozpuszczają się w stanie ciekłym, a niewiele metali rozpuszcza się w stanie ciekłym w ograniczonym stopniu. W tworzeniu stopów podczas ich krzepnięcia możliwe są różne interakcje składników. Jeżeli w procesie krystalizacji siła oddziaływania między jednorodnymi atomami okaże się większa niż siła oddziaływania między atomami heterogenicznymi, to po krystalizacji powstaje mieszanina mechaniczna składająca się z ziaren czystych metali. W takim przypadku w twardym stopie będą obecne ziarna jednego czystego metalu, a obok nich ziarna innego czystego metalu. Ta forma interakcji występuje, gdy występuje duża różnica we właściwościach metali zawartych w stopie. Inną formą interakcji między substancjami tworzącymi stop jest tworzenie roztworów stałych. Roztwory stałe to fazy stałe, w których proporcje między składnikami mogą się zmieniać. W roztworze stałym, podobnie jak w czystych metalach, atomy są rozmieszczone w sposób regularny w przestrzeni, tworząc sieć krystaliczną. Tym różnią się od roztworów płynnych. W roztworze stałym jedna z substancji zawartych w stopie zachowuje swoją wrodzoną sieć krystaliczną, a druga substancja, utraciwszy swoją strukturę krystaliczną, jest rozprowadzana w postaci pojedynczych atomów w sieci krystalicznej pierwszej. Pierwsza substancja jest rozpuszczalnikiem, a druga jest rozpuszczalna. W zależności od charakteru rozkłady atomów rozpuszczalnego pierwiastka rozróżniają stałe roztwory międzywęzłowe, podstawienie i odejmowanie. Niezależnie od rodzaju roztworu stałego łączy je to, że są jednofazowe i występują w różnych stężeniach. Roztwory stałe charakteryzują się wiązaniami metalicznymi. W śródmiąższowych roztworach stałych atomy rozpuszczalnego pierwiastka są rozmieszczone w sieci krystalicznej metalu rozpuszczalnika, zajmując miejsca między jego atomami. Wcześniej zauważono, że w metalach atomy w sieci krystalicznej znajdują się blisko siebie, a puste przestrzenie między nimi są niewielkie. W takich pustkach mogą zmieścić się tylko atomy o bardzo małych rozmiarach. Niektóre metaloidy - wodór, azot, węgiel, bor - mają najmniejsze rozmiary atomów, które tworzą śródmiąższowe roztwory stałe z metalami. Ale nawet w tych pierwiastkach wielkość atomów nieco przekracza wielkość szczelin międzyatomowych w sieci krystalicznej metali, dlatego gdy powstają międzywęzłowe roztwory stałe, sieć jest zniekształcona i powstają w niej naprężenia. W takim przypadku stężenie śródmiąższowego roztworu stałego nie może być wysokie: rzadko przekracza 1-2%. W substytucyjnych roztworach stałych atomy pierwiastka rozpuszczalnego zajmują miejsce atomów metalu nieszlachetnego. Obce atomy mogą zastąpić atomy rozpuszczalnika w dowolnym miejscu, dlatego takie roztwory nazywane są nieuporządkowanymi roztworami stałymi. Rozmiary atomów pierwiastka rozpuszczalnego różnią się od rozmiarów atomu rozpuszczalnika (są większe lub mniejsze), dlatego gdy powstaje zastępczy roztwór stały, sieć krystaliczna metalu rozpuszczalnika jest nieznacznie zniekształcona bez utraty jego podstawowej struktury . Zastępcze roztwory stałe mogą być ograniczone lub nieograniczone. Jednym z warunków nieograniczonej rozpuszczalności jest współczynnik wielkości: im większa różnica promieni atomowych, tym mniejsza rozpuszczalność. Wraz ze spadkiem temperatury w substytucyjnych roztworach stałych może nastąpić proces redystrybucji atomów, w wyniku którego atomy rozpuszczonego pierwiastka zajmą ściśle określone pozycje w sieci rozpuszczalnika. Takie rozwiązania stałe nazywane są uporządkowanymi rozwiązaniami stałymi, a ich konstrukcja nazywana jest nadbudową. Temperatura przejścia stanu nieuporządkowanego w stan uporządkowany nazywana jest punktem Kurnakowa. Uporządkowane rozwiązania stałe charakteryzują się większą twardością, niższą plastycznością i opornością elektryczną. Można je uznać za fazy pośrednie między roztworami stałymi a związkami chemicznymi. 22. Układ o nieograniczonej rozpuszczalności w stanie ciekłym i stałym; systemy eutektyczne, perytektyczne i monotektyczne. Układy z polimorfizmem składowym i transformacją eutektoidalną Całkowita wzajemna rozpuszczalność w stanie stałym jest możliwa, gdy oba składniki mają takie same sieci krystaliczne, a średnice atomowe składników niewiele różnią się wielkością. Taki schemat ma prostą postać i składa się z dwóch przecinających się linii likwidus i solidus w punktach krystalizacji czystych składników A i B. Wszystkie stopy krzepną w pewnym zakresie temperatur (C = 1). Jeżeli proces krystalizacji przebiega w warunkach przyspieszonego chłodzenia, które zwykle ma miejsce podczas produkcji odlewów i wlewków, to wyrównanie dyfuzyjne składu kryształów wytrącanych w temperaturach powyżej t3, nie ma czasu wystąpić, co skutkuje nierównym składem nie tylko w poszczególnych kryształach, ale w każdym z nich. Wewnętrzne obszary kryształu będą bogatsze w składnik ogniotrwały B, zewnętrzne w składnik A. To zjawisko niejednorodności składu chemicznego nazywa się Pierwsze kryształy na powierzchni wlewka zostaną wzbogacone w składnik B, a ostatnie kryształy powstałe w środku wlewka zostaną wzbogacone w składnik A. W efekcie we wlewku zachodzi makrosegregacja. Segregacja odgrywa negatywną rolę, zwłaszcza w przypadkach nierównomiernego rozmieszczenia szkodliwych zanieczyszczeń. Zwiększona zawartość szkodliwych zanieczyszczeń może prowadzić do przedwczesnego zniszczenia części. Dysponując diagramem fazowym, można prześledzić przemiany fazowe dowolnego stopu oraz wskazać skład i stosunek ilościowy faz w dowolnej temperaturze. Odbywa się to za pomocą dwóch prostych zasad. Skład chemiczny wytrąconych kryształów wraz ze spadkiem temperatury zmienia się wzdłuż linii solidus od xе do xс. Jednocześnie skład fazy ciekłej zmienia się wzdłuż linii likwidus od xс do xi Daje to podstawę do formułowania reguł określania składu faz (reguła stężeń) i stosunku ilościowego faz (reguła segmentów). Składniki: A i B; fazy: L, α, β, gdzie α jest stałym roztworem atomów składnika B w sieci krystalicznej składnika A, a β jest stałym roztworem atomów składnika A w sieci krystalicznej składnika B. W zależności od interakcji tych trzech faz możliwe są dwa rodzaje diagramów: diagram z eutektyką i diagram z perytektyką. Diagram fazowy z eutektyką. Linia ALL jest linią likwidusu, linia EVSKE jest linią solidusu. Linie VM i KG pokazują maksymalną rozpuszczalność składników. Podobnie jak w poprzednich przypadkach, proces krystalizacji dowolnego stopu można śledzić, korzystając z reguły fazowej i reguły segmentów. System to zestaw faz w stanie stałym lub ciekłym, które są w równowadze w określonych warunkach zewnętrznych (temperatura i ciśnienie). Różne formy alotropowe są zwykle oznaczane literami alfabetu greckiego α, β, γ, które są dodawane jako indeksy do symbolu oznaczającego pierwiastek. Forma alotropowa, która jest stabilna w najniższej temperaturze, jest oznaczona literą α, która istnieje w wyższej temperaturze, β, a następnie γ. Przykładem przemiany alotropowej pod wpływem zmiany ciśnienia jest modyfikacja struktury krystalicznej węgla, który może występować w postaci grafitu i diamentu. Polimorfizm ma duże znaczenie praktyczne. Wykorzystując to zjawisko możliwe jest wzmocnienie lub zmiękczenie stopów poprzez obróbkę cieplną. Dużym praktycznym zainteresowaniem są stopy, w których jeden lub oba składniki mają przekształcenia polimorficzne. W stopach tych w wyniku obróbki cieplnej możliwe jest uzyskanie metastabilnych stanów struktury o nowych właściwościach. Po krystalizacji wszystkich stopów tego układu w określonym zakresie temperatur powstaje roztwór stały γ, który przy spadku temperatury poniżej t3 ulega transformacji eutektoidalnej γC → aE + β Powstała mieszanina dwóch faz stałych nazywana jest eutektoidą. Ze względu na zmienną rozpuszczalność składników w roztworach stałych α i β, po dalszym chłodzeniu następuje wtórne wytrącanie roztworów stałych βII i αII. Niektóre pierwiastki modyfikują swoją strukturę krystaliczną, czyli rodzaj sieci krystalicznej, w zależności od zmian warunków zewnętrznych – temperatury i ciśnienia. O istnieniu substancji w różnych postaciach krystalicznych, w zależności od warunków zewnętrznych, decyduje jej dążenie do stanu z mniejszym zapasem darmowej energii. Zjawisko to nazywa się polimorfizmem lub alotropią. Każdy typ sieci reprezentuje modyfikację lub odmianę alotropową. Każda modyfikacja ma swój własny zakres temperatur, w którym jest stabilna. W przemianach polimorficznych metali najważniejsza jest temperatura. Przemiana jednej postaci alotropowej w drugą zachodzi w stałej temperaturze, zwanej temperaturą przemiany polimorficznej, i towarzyszy jej efekt termiczny, podobny do zjawiska topnienia-zestalania lub parowania-kondensacji. Wynika to z konieczności poświęcenia pewnej ilości energii na przegrupowanie sieci krystalicznej. Objętości atomowe i odpowiednio całkowite energie różnych modyfikacji z reguły niewiele się różnią, ale są wyjątki. 23. Układ o potrójnej eutektyce i prawie całkowitym braku rozpuszczalności składników w stanie stałym; sekcje izotermiczne i politermiczne Diagramy stanu stopów binarnych naniesiono na płaszczyznę: stężenie składników wykreślono na osi odciętych, a temperaturę w przypadku stopów trójskładnikowych na osi rzędnych. Bardziej powszechny jest obraz przestrzenny. Podstawą diagramu jest trójkąt równoboczny, zwany trójkątem koncentracji. Temperaturę wykreśla się wzdłuż osi prostopadłej do płaszczyzny trójkąta stężenia. Wierzchołki trójkąta odpowiadają stężeniom odpowiadającym czystym składnikom A, B i C badanego układu. Po bokach trójkąta wykreślono stężenia odpowiednich dwóch składników: A-B, B-C, C-A. Każdy punkt wewnątrz trójkąta odpowiada składowi określonego stopu trójskładnikowego. Skład stopów określa się na podstawie znanego twierdzenia w trójkącie równobocznym, suma trzech prostopadłych opuszczonych z dowolnego punktu K, leżących wewnątrz trójkąta na jego boki, jest równa wysokości trójkąta. Wysokość trójkąta przyjmuje się jako 100%, wówczas prostopadłe Ka, Kc i Kb będą charakteryzować stężenia poszczególnych składników stopu trójskładnikowego. Ilość każdego składnika określa wartość pionu opuszczonego na przeciwną stronę, tj. ilość składnika C określa prostopadła Kc, składnik A-Ka, składnik B-Kb. Częściej skład stopów określają nie wartości prostopadłych, ale wartości odcinków odciętych po bokach trójkąta liniami równoległymi do boków trójkąta, tj. wzdłuż segmenty Aa, Be i CJ. Segment Ad odpowiada stężeniu składnika B, segmentu Be składnika C. oraz segmentu C ^ składnika A. Stężenie określa się zgodnie z ruchem wskazówek zegara, ale można je również określić w przeciwny kierunek. Oddziaływanie składników stopów trójskładnikowych jest podobne do stopów podwójnych: możliwe jest tworzenie mieszanin mechanicznych, roztworów stałych i związków chemicznych: możliwe są reakcje eutektyczne i perytektyczne oraz przemiany polimorficzne. Różnica polega na tym, że w układach podwójnych przekształcenia są oznaczone liniami i punktami, a w układach potrójnych płaszczyznami i liniami. Na przykład nie linia likwidusu, ale powierzchnia likwidusu (lub powierzchnia solidusa), nie linia eutektyczna, ale powierzchnia eutektyczna. Skład podwójnej eutektyki jest określony nie przez punkt, ale przez linię. I tylko potrójna eutektyka jest rzutowana na płaszczyznę trójkąta przez punkt. Wszystko to można prześledzić, badając dwa typowe diagramy fazowe stopów trzech składników. W przeciwieństwie do diagramów podwójnych diagramy trójskładnikowe umożliwiają przeprowadzenie analizy fazowej i strukturalnej rzeczywistych stopów technicznych, które z reguły są trójskładnikowe lub więcej. Model układu potrójnego to pryzmat trójścienny oparty na trójkącie równobocznym. Wierzchołek pryzmatu to powierzchnia likwidusu. W układzie trójskładnikowym, w którym wszystkie trzy składniki są nieograniczenie rozpuszczalne zarówno w stanie ciekłym, jak i stałym, powierzchnia likwidusu ma najprostszą postać - jest to powierzchnia ziarna soczewicy odcięta z trzech stron. We wszystkich pozostałych przypadkach powierzchnia ta okazuje się złożona, składająca się z kilku przecinających się powierzchni, dlatego badanie układów trójskładnikowych nastręcza pewne trudności metodologiczne. Podstawą pryzmatu trójściennego jest trójkąt równoboczny, na którym stężenia są zaznaczone bocznymi ścianami diagramu fazowego układów podwójnych, a temperatura jest oznaczona wysokością. Wybór trójkąta równobocznego tłumaczy się tym, że w nim stężenia wszystkich składników można pokazać w tej samej skali. W wierzchołkach tego trójkąta znajdują się składniki stopu A, B i C, czyli odpowiednio 100% A, 100% B i 100% C. Na odpowiednich bokach trójkąta zaznaczono stężenia stopów binarnych, natomiast stężenia stopów trójskładnikowych zaznaczono jako punkty znajdujące się w obszarze trójkąta. Istnieje kilka sposobów określenia stężenia dowolnego stopu trójskładnikowego. Aby określić procent składnika A, należy poprowadzić linię z punktu K równoległą do przeciwległego boku (BC) trójkąta, aż przetnie się ona ze stroną skali składnika A. Aby znaleźć procent składnika B, należy należy poprowadzić linię z punktu K równolegle do przeciwnej strony (AC), aż przetnie się ona z bokiem AB - skala składnika B. W podobny sposób można ustawić procentową zawartość składnika C. Należy o tym pamiętać że całkowite stężenie A + B + C = 100%. Aby wyjaśnić przemiany fazowe w układach trójskładnikowych, stosuje się sekcje - pionowe (politermiczne) i poziome (izotermiczne). Każdy przekrój poziomy charakteryzuje stan równowagi w wybranej temperaturze i może być wykorzystany do obliczeń ilościowych. Punkty wskazujące składy równowagowe faz znajdują się na płaszczyźnie przekroju. Przekrój pionowy pokazuje sekwencję przemian fazowych w stopach podczas ogrzewania lub chłodzenia dla pewnego zakresu stężeń składników. Brak informacji na temat składów równowagowych faz na tych przekrojach. 24. Zasada dźwigni i środek ciężkości trójkąta Korzystając z wykresu fazowego można dla dowolnej temperatury określić nie tylko liczbę faz, ale także ich skład i stosunek ilościowy. Aby to zrobić, zastosuj zasadę segmentów (regułę dźwigni). Regułę tę można zastosować w przypadku diagramów, na których stopy znajdują się w stanie dwufazowym. Pierwszą zasadą segmentów jest określenie składu faz. Struktura fazowa stopów na schemacie zależy od temperatury. Wraz z termodynamicznym oddziaływaniem składników na siebie temperatura ich przejścia w stan ciekły spada, osiągając pewne minimum przy składzie określonym dla każdej pary składników. Skład stopu można określić rzutując punkt C na oś x (punkt B 3). Stop dwóch składników, który topi się w minimalnej temperaturze, nazywany jest eutektyką lub eutektyką. Eutektyka jest jednorodną mieszaniną jednocześnie skrystalizowanych małych ziaren obu składników. Temperatura, w której oba składniki topią się jednocześnie, nazywana jest temperaturą eutektyczną. Na wykresie stanów temperatury powyżej których stopy znajdują się w stanie ciekłym leżą na linii DIA, zwanej linią likwidus. Przejście stopów ze stanu ciekłego do stanu stałego podczas krystalizacji następuje w zakresie temperatur pomiędzy linią likwidus a temperaturą eutektyczną, co odpowiada linii DCE solidus. W tym przypadku z każdego stopu wraz ze spadkiem temperatury najpierw do fazy stałej przechodzi składnik, którego ilość przekracza stężenie eutektyczne. W stopach podeutektycznych obszar dwufazowy ACD zawiera nadmiarowy składnik A i fazę ciekłą G, a w obszarze nadeutektycznym BSE znajdują się odpowiednio fazy stała B i ciekła. W obu przypadkach faza G jest ciekłym roztworem obu składników. W miarę obniżania się i zbliżania do niej temperatury skład fazy nieskrystalizowanej zbliża się do eutektyki, w tym przypadku im mniej stop różni się składem od eutektyki, tym niższy jest jej punkt likwidusu i tym więcej eutektyków w nim krzepnie. Zmiany ilościowe stopów danego układu składników podczas krystalizacji podlegają zasadzie segmentów. Ilość każdego składnika konstrukcyjnego, od którego zależą właściwości, można obliczyć z reguły segmentów w stosunku do temperatury eutektycznej. Przy ocenie właściwości wytrzymałościowych należy pamiętać, że część stopu, którą reprezentuje eutektyk, ma wyższą wytrzymałość niż część reprezentowana przez większe ziarna fazy nadmiarowej. Aby określić skład faz dla stopu w różnych temperaturach w punkcie n. Aby to zrobić, przez punkt n, który charakteryzuje stan tego stopu w temperaturze tn, należy narysować linię poziomą (konoda), aż przetnie się z liniami diagramu stanu, które ograniczają ten dwufazowy region. Punkty przecięcia l2 i s2 są rzutowane na oś koncentracji. Rzut punktowy l2 punkt l2 pokaże skład fazy ciekłej oraz punkty s2 - punkt s2 - faza stała. Aby określić skład faz w dowolnej temperaturze, należy przez ten punkt przeciągnąć końcówkę i rzutować na oś stężenia punkty przecięcia z likwidusem i solidusem. Skład fazy ciekłej zmienia się wzdłuż linii likwidusu, a fazy stałej wzdłuż linii solidusu. W temperaturach poniżej linii solidusu skład fazowy wszystkich stopów rozpatrywanego układu składa się z ziaren obu składników: A + B. W każdym stopie występują małe ziarna A i B, które tworzą eutektykę, oraz duże ziarna faz nadmiarowych - odpowiednio składników A lub B w stopach podeutektycznych i nadeutektycznych. Korzystając z drugiej pozycji reguły segmentów, określ stosunek ilościowy faz dla dowolnej temperatury. Liczba (masa) faz jest odwrotnie proporcjonalna do odcinków przewodzonego konodu. Reguła segmentów (dźwignia) pozwala określić skład oraz ilość fazy stałej i ciekłej stopu znajdującej się w zakresie krystalizacji. Na podstawie diagramu fazowego można określić nie tylko liczbę faz danego stopu w danej temperaturze, ale także względną ilość każdej fazy. Aby określić liczbę faz np. stopu Pb - Sb zawierającego 72% Sb, w danej temperaturze, należy wyprowadzić prostopadłą z punktu na osi stężenia odpowiadającego zawartości 72% Sb i poziomą linia odpowiadająca danej temperaturze tзад. W wyniku przecięcia linii otrzymujemy punkt K. Kontynuujemy linię poziomą przechodzącą przez punkt K aż przetnie się z liniami diagramu, otrzymujemy punkty l i S. Punkt l odpowiada fazie ciekłej stop (leży na linii likwidus), temperatury czystego antymonu). Zasada dźwigni. 1. Ilość fazy stałej jest równa stosunkowi długości ramienia sąsiadującego z fazą ciekłą do długości całej dźwigni. 2. Ilość fazy ciekłej jest równa stosunkowi długości ramienia sąsiadującego z fazą stałą do długości całej dźwigni. 25. Zależność właściwości mechanicznych i fizycznych od składu w układach różnych typów Właściwość to cecha ilościowa lub jakościowa materiału, która określa jego wspólność lub różnicę z innymi materiałami. Wyróżnia się trzy główne grupy właściwości: eksploatacyjne, technologiczne i kosztowe, które leżą u podstaw wyboru materiału, decydują o technicznej i ekonomicznej możliwości jego wykorzystania. Najważniejsze są właściwości wydajnościowe. Wydajność wielu części maszyn i produktów zapewnia odpowiedni poziom właściwości mechanicznych. Właściwości mechaniczne charakteryzują zachowanie materiału pod działaniem obciążenia zewnętrznego. Ponieważ warunki obciążenia części maszyn są niezwykle zróżnicowane, właściwości mechaniczne obejmują dużą grupę wskaźników. Działanie odrębnej grupy części maszyn zależy nie tylko od właściwości mechanicznych, ale także od odporności na działanie chemicznie aktywnego środowiska pracy. Jeśli taki wpływ stanie się znaczący, decydujące znaczenie staną się właściwości fizykochemiczne materiału - odporność na ciepło i odporność na korozję. Właściwości mechaniczne charakteryzują odporność materiału na odkształcenia, zniszczenie lub cechę jego zachowania w procesie niszczenia. Ta grupa właściwości obejmuje wskaźniki wytrzymałości, sztywności (sprężystości), plastyczności, twardości i lepkości. Główną grupą takich wskaźników są standardowe charakterystyki właściwości mechanicznych, które określa się w warunkach laboratoryjnych na próbkach o standardowych rozmiarach. Wskaźniki właściwości mechanicznych uzyskane podczas takich testów oceniają zachowanie materiałów pod obciążeniem zewnętrznym bez uwzględnienia konstrukcji części i warunków jej pracy. Ponadto dodatkowo wyznaczane są wskaźniki wytrzymałości strukturalnej, które są w największym stopniu skorelowane z właściwościami użytkowymi danego produktu i oceniają wydajność materiału w warunkach eksploatacyjnych. Właściwości mechaniczne materiałów charakteryzują możliwość ich zastosowania w wyrobach eksploatowanych pod wpływem obciążeń mechanicznych. Głównymi wskaźnikami takich właściwości są parametry wytrzymałościowe, twardość i charakterystyka trybologiczna. Nie są to „czyste” stałe materiały, ale w znacznym stopniu zależą od kształtu, wymiarów i stanu powierzchni próbek, a także trybów badania, przede wszystkim szybkości obciążenia, temperatury, ekspozycji na media i innych czynników. Wysoka twardość metalu jest ważna przy wytwarzaniu produktów do cięcia. Najczęściej do takich produktów stosuje się stale narzędziowe. Wytrzymałość - właściwość materiałów odpornych na zniszczenie, a także nieodwracalna zmiana kształtu pod wpływem obciążeń zewnętrznych. Wynika to z sił oddziaływania cząstek atomowych tworzących materiał. Siła oddziaływania dwóch sąsiednich atomów zależy od odległości między nimi, jeśli pominiemy wpływ sąsiednich atomów. Odkształcenie to zmiana względnego ułożenia cząstek w materiale. Najprostsze jego rodzaje to: rozciąganie, ściskanie, zginanie, skręcanie, ścinanie. Odkształcenie to zmiana kształtu i rozmiaru próbki lub jej części w wyniku odkształcenia. Granica proporcjonalności to naprężenie, przy którym odchylenie od liniowej zależności między naprężeniami i odkształceniami osiąga określoną wartość ustaloną przez specyfikacje. Ważnymi właściwościami fizycznymi materiałów branymi pod uwagę przy stosowaniu materiałów są gęstość, pojemność cieplna, przewodność cieplna, rozszerzalność cieplna, przewodność elektryczna. Specjalne właściwości magnetyczne żelaza, niklu, kobaltu i ich stopów oraz ferrytów wyróżniają je na grupy materiałów o wyjątkowej wartości - ferro- i ferrimagnetyki. Właściwości fizyczne determinowane są rodzajem wiązania międzyatomowego oraz składem chemicznym materiałów, temperaturą i ciśnieniem. W przypadku większości procesów obróbki materiałów ciśnienia nie przekraczają 500 MPa. Takie ciśnienia praktycznie nie wpływają na wartości właściwości fizycznych. Istnieją właściwości fizyczne zależne i niezależne od struktury materiału. O wartościach tych ostatnich decyduje jedynie skład chemiczny materiału i temperatura. Właściwości fizyczne metali - kolor, gęstość, temperatura topnienia, przewodność cieplna i elektryczna, zdolność do namagnesowania itp. Na przykład miedź jest metalem czerwonym, a po rozbiciu różowym; srebrno-białe aluminium; ołów ma kolor jasnoszary. Ważną cechą właściwości fizycznych jest przewodność elektryczna. Miedź ma najwyższą (po srebrze) przewodność elektryczną. Aluminium ma niską gęstość, dlatego części wykonane z aluminium i stopów na jego bazie są szeroko stosowane w samochodach i konstrukcji ciągników. Do produkcji przewodników (uzwojeń transformatorów, linii energetycznych) wykorzystuje się miedź i aluminium, które charakteryzują się dużą przewodnością elektryczną. Waga produktu lub części również odgrywa ważną rolę i jest główną cechą. 26. Dobór stopów do konkretnego celu na podstawie analizy diagramów stanów Czyste metale są stosowane w elektrotechnice i radiotechnice (przewodnik, elektrovacuum). Główny Materiałami konstrukcyjnymi są stopy metali. Stop to substancja otrzymywana przez stopienie dwóch lub więcej pierwiastków (składników). Stop wykonany głównie z pierwiastków metalicznych i posiadający właściwości metaliczne nazywany jest stopem metalu. Pseudostopy to stopy powstałe w wyniku spiekania, sublimacji i elektrolizy. Stopy metali można otrzymać za pomocą metalurgii proszków, dyfuzji i innymi metodami. Dominujące zastosowanie w technice stopów metali tłumaczy się tym, że posiadają one bardziej wartościowe kompleksy właściwości mechanicznych, fizycznych i technologicznych niż czyste metale. Główne pojęcia w teorii stopów to: układ, składnik, faza, wariancja. System - grupa organów przeznaczonych do obserwacji i badań. W metaloznawstwie systemy to metale i stopy metali. Czysty metal to prosty system. Stopy składają się z dwóch lub więcej składników i są złożonymi systemami. Składniki nazywane są substancjami, które tworzą system, wzięte w mniejszej liczbie. W stopach metali składnikami mogą być pierwiastki (metale i niemetale) oraz związki chemiczne. Faza to jednorodna część układu, oddzielona od innej części układu (fazy) przez interfejs, przez który następuje gwałtowne zmiany składu chemicznego lub struktury. Na przykład podczas krystalizacji czystego metalu w układzie występują dwie fazy: ciekła (roztopiony metal) i stała (ziarna zakrzepłego metalu). W stopach twardych fazami mogą być ziarna czystego metalu, ziarna roztworu stałego i ziarna związków chemicznych. Wariancja - liczba czynników wewnętrznych i zewnętrznych, które można zmieniać przy stałej liczbie faz w systemie. Wszystkie metale w stanie ciekłym rozpuszczają się jeden w drugim w dowolnym stosunku. W wyniku rozpuszczenia powstaje jednorodny ciekły roztwór o równomiernym rozkładzie atomów jednego metalu wśród atomów innego metalu. Z powodu tej interakcji, w praktyce, w celu równomiernego rozprowadzenia substancji w stopie, z reguły uciekają się do ich topienia. Tylko nieliczne metale, głównie te o bardzo różnej wielkości atomów, nie rozpuszczają się w stanie ciekłym. Również niewiele metali rozpuszcza się w stanie ciekłym w ograniczonym stopniu. W tworzeniu stopów podczas ich krzepnięcia możliwe są różne interakcje składników. Jeżeli w procesie krystalizacji siła oddziaływania między jednorodnymi atomami okaże się większa niż siła oddziaływania między atomami heterogenicznymi, to po krystalizacji powstaje mieszanina mechaniczna składająca się z ziaren czystych metali. W takim przypadku w twardym stopie będą obecne ziarna jednego czystego metalu, a obok nich ziarna innego czystego metalu. Ta forma interakcji występuje, gdy występuje duża różnica we właściwościach metali zawartych w stopie. Inną formą interakcji między substancjami tworzącymi stop jest tworzenie roztworów stałych. Roztwory stałe to fazy stałe, w których proporcje między składnikami mogą się zmieniać. W roztworze stałym, podobnie jak w czystych metalach, atomy są rozmieszczone w sposób regularny w przestrzeni, tworząc sieć krystaliczną. Tym różnią się od roztworów płynnych. W roztworze stałym jedna z substancji zawartych w stopie zachowuje swoją wrodzoną sieć krystaliczną, a druga substancja, utraciwszy swoją strukturę krystaliczną, jest rozprowadzana w postaci pojedynczych atomów w sieci krystalicznej pierwszej. Pierwsza substancja jest rozpuszczalnikiem, a druga jest rozpuszczalna. W zależności od charakteru rozmieszczenia atomów pierwiastka rozpuszczalnego wyróżnia się roztwory stałe śródmiąższowe, substytucyjne i subtraktywne. Roztwory stałe dzieli się również w zależności od stopnia rozpuszczalności składników na roztwory o ograniczonej rozpuszczalności składników io nieograniczonej rozpuszczalności. Konstrukcję diagramów stanów przeprowadza się różnymi metodami eksperymentalnymi. Najczęściej stosowaną metodą jest analiza termiczna. Istota eksperymentalna tej metody jest następująca. Kilka stopów tego systemu jest wybieranych z różnymi stosunkami mas ich składników. Istnieją stopy - mieszaniny mechaniczne, które powstają, gdy niemożliwe jest rozpuszczenie składników znajdujących się w stanie stałym. Te składniki nie mogą tworzyć związków w wyniku reakcji chemicznej. Mieszanki mechaniczne zawierają elementy o różnych właściwościach i strukturze. W skład stopu wchodzą kryształy składników tworzących sieci krystaliczne. Związki chemiczne to stopy, które powstają z różnych pierwiastków zawierających odmienne atomy, między którymi siła oddziaływania jest znacznie większa niż między jednorodnymi atomami. 27. Budowa i właściwości żelaza; metastabilne i stabilne diagramy fazowe żelazo-węgiel. Kształtowanie struktury stali węglowych. Oznaczanie zawartości węgla w stali według struktury Stopy żelaza z węglem są najpowszechniejszymi materiałami metalicznymi. Diagram fazowy żelazo-węgiel daje wyobrażenie o budowie stopów żelazo-węgiel - stali i żeliwa. Czyste żelazo jest metalem srebrzysto-lekkim, praktycznie niepodatnym na utlenianie. Liczba atomowa 26, masa atomowa 55,85. Technicznie czyste żelazo zawiera 0,10-0,15% wszystkich zanieczyszczeń. Właściwości żelaza zależą od stopnia jego czystości. Temperatura topnienia – 1539°C, gęstość – 7,85 g/cmXNUMX3. Żelazo ma niską twardość i wytrzymałość oraz dobrą ciągliwość. Czyste żelazo jest mniej trwałe niż żeliwo lub stal. Żelazo tworzy roztwory z wieloma pierwiastkami: z metalami - roztwory substytucyjne, z węglem, azotem i wodorem - roztwory międzywęzłowe. Rozpuszczalność węgla w żelazie zależy od postaci krystalicznej, w jakiej żelazo występuje. Gdy węgiel rozpuszcza się w żelazie, powstają stałe roztwory. Ferryt to roztwór otrzymywany przez rozpuszczenie węgla w niskotemperaturowej modyfikacji żelaza. Charakteryzuje się niską twardością i dużą ciągliwością. Węgiel rozpuszczający się w wysokotemperaturowej modyfikacji żelaza tworzy plastyczny austenit. Węgiel występuje w przyrodzie w postaci dwóch modyfikacji: w postaci diamentu, który ma złożoną siatkę sześcienną oraz w postaci grafitu, który ma prostą siatkę heksagonalną. Cementyt to węglik żelaza zawierający 6,67% węgla. Kruche i twarde. W przypadku obecności dużej ilości krzemu w metalu nie dochodzi do tworzenia cementytu. W tym przypadku węgiel przekształcany jest w grafit (żeliwo szare). Zawartość węgla na wykresie Fe - C (cementyt) jest ograniczona do 6,67%, ponieważ przy tym stężeniu powstaje związek chemiczny - węglik żelaza (FeзC) lub cementyt, który jest drugim składnikiem tego schematu. System Re-Fe3C jest metastabilny. Powstawanie cementytu zamiast grafitu daje mniejszy przyrost energii swobodnej, ale bardziej prawdopodobne jest tworzenie się kinetycznego węglika żelaza. Punkt A (1539°C) odpowiada temperaturze topnienia żelaza, punkt D (1500°C) temperaturze topnienia cementytu, punkty N (1392°C) i G (910°C) odpowiadają przemianie polimorficznej. Stopy żelazowo-węglowe to stale i żeliwa, które są głównymi materiałami stosowanymi w inżynierii mechanicznej i nowoczesnej technologii. Stal jest głównym materiałem metalowym szeroko stosowanym do produkcji części maszyn, samolotów, instrumentów, różnych narzędzi i konstrukcji budowlanych. Powszechne stosowanie stali wynika z kompleksu właściwości mechanicznych, fizykochemicznych i technologicznych. Stale łączą wysoką sztywność z wytrzymałością statyczną i cykliczną. Parametry te są zmieniane poprzez zmianę stężenia węgla, pierwiastków stopowych oraz technologii obróbki cieplnej i chemiczno-termicznej. Poprzez zmianę składu chemicznego uzyskuje się stale o różnych właściwościach i wykorzystuje je w wielu gałęziach techniki i gospodarki narodowej. Stale węglowe są klasyfikowane według zawartości węgla, przeznaczenia, jakości, stopnia odtlenienia i struktury w stanie równowagi. Ze względu na zawartość węgla stale dzieli się na niskowęglowe (<0,3% C), średniowęglowe (0,3-0,7% C) i wysokowęglowe (>0,7% C). Zgodnie z przeznaczeniem stale dzieli się na stale konstrukcyjne i narzędziowe. Stale konstrukcyjne stanowią najszerszą grupę, która przeznaczona jest do produkcji konstrukcji budowlanych, części maszyn i urządzeń. Stale te obejmują stale cementowane, ulepszone, o wysokiej wytrzymałości i obciążone sprężynami. Stale narzędziowe dzielą się na stale do cięcia, narzędzia pomiarowe, matryce odkształcające się na zimno i na gorąco (do 200°C). Stale są klasyfikowane według jakości na zwykłą jakość, wysoką jakość, wysoką jakość. Jakość stali to zespół właściwości, które wyznacza proces metalurgiczny jej wytwarzania. Jednorodność składu chemicznego, struktury i właściwości stali, a także jej przetwarzalność w dużej mierze zależą od zawartości gazów (tlenu, wodoru, azotu) oraz szkodliwych zanieczyszczeń - siarki i fosforu. Gazy są ukrytymi zanieczyszczeniami, które trudno określić ilościowo, dlatego normy zawartości szkodliwych zanieczyszczeń służą jako główne wskaźniki rozdzielania stali według jakości. Stale zwykłej jakości to tylko węgiel (do 0,5% C), stale wysokiej jakości i wysokiej jakości to stale węglowe i stopowe. W zależności od stopnia odtleniania i charakteru krzepnięcia stale dzielimy na spokojne, półspokojne i wrzące. Stale stopowe produkowane są spokojne, stale węglowe - spokojne, półspokojne i wrzące. Zgodnie ze strukturą w stanie równowagi stale dzielą się na: 1) podeutektoidalny, posiadający w strukturze ferryt i perlit; 2) eutektoida, której struktura składa się z perlitu; 3) nadeutektoidalny, mający w strukturze perlit i cementyt wtórny. 28. Stale węglowe konstrukcyjne i narzędziowe. Znakowanie, aplikacja Stale konstrukcyjne węglowe dzielą się na stale o zwykłej jakości i stale o wysokiej jakości. Gatunki stali zwykłej jakości St0, St1, St2, ..., St6 (wraz ze wzrostem liczby wzrasta zawartość węgla). Najtańsze są stale o zwykłej jakości, zwłaszcza wrzące. Ze stali zwykłej jakości wytwarzana jest stal zwykła walcowana na gorąco: belki, pręty, blachy, rury. Stale są stosowane w budownictwie do konstrukcji spawanych i skręcanych. Wraz ze wzrostem zawartości węgla w stali pogarsza się spawalność. Stale St5 i St6, które mają wyższą zawartość węgla, stosuje się na elementy konstrukcji budowlanych niepoddawanych spawaniu. Wytop wysokiej jakości stali węglowej odbywa się w ściśle określonych warunkach dotyczących składu wsadu oraz przebiegu topienia i odlewania. Wysokiej jakości stale węglowe oznaczone są liczbami 08, 10, 15, ..., 85, wskazującymi na średnią zawartość węgla w setnych procentach. Stale niskowęglowe mają wysoką wytrzymałość i wysoką ciągliwość. Stale nieobrobione cieplnie stosuje się na części lekko obciążone, krytyczne konstrukcje spawane, na części maszyn utwardzone przez nawęglanie. Stale średniowęglowe (0.3-0.5% C) 30, 35, ..., 55 stosuje się po normalizacji, uszlachetnieniu i utwardzeniu powierzchni. Stale te charakteryzują się wysoką wytrzymałością przy mniejszej ciągliwości, są wykorzystywane do produkcji małych lub dużych części niewymagających hartowności skrośnej. Stale o wysokiej zawartości węgla mają wysoką wytrzymałość i odporność na zużycie. Z tych stali powstają sprężyny i sprężyny, podkładki zabezpieczające, rolki toczne. Wytrzymałość strukturalna to zespół właściwości mechanicznych, które zapewniają długotrwałe i niezawodne działanie materiału w jego warunkach pracy. Wytrzymałość konstrukcyjna to wytrzymałość materiału konstrukcyjnego, uwzględniająca czynniki strukturalne, metalurgiczne, technologiczne i eksploatacyjne. Pod uwagę brane są cztery kryteria: wytrzymałość materiału, niezawodność i trwałość materiału w warunkach pracy danej konstrukcji. Siła to zdolność organizmu do przeciwstawienia się deformacji i zniszczeniu. Niezawodność to zdolność produktu do wykonywania określonych funkcji i utrzymywania swoich właściwości użytkowych przez wymagany okres czasu. Niezawodność projektu to jego zdolność do działania poza sytuacją projektową. Głównym wskaźnikiem niezawodności jest lepkość rezerwowa materiału, która zależy od składu, temperatury, warunków obciążenia i pracy pochłoniętej podczas propagacji pęknięć. Najważniejszą cechą decydującą o niezawodności konstrukcji jest odporność materiału na kruche pękanie. Trwałość - właściwość produktu do utrzymania wydajności do stanu granicznego (niemożność jego dalszej eksploatacji). Trwałość zależy od warunków jego eksploatacji (są to odporność na zużycie podczas tarcia i wytrzymałość styku, odporność materiału na zużycie powierzchniowe występujące podczas tarcia tocznego z poślizgiem). Stale narzędziowe przeznaczone są do produkcji narzędzi skrawających, pomiarowych i matryc do odkształcania na zimno i na gorąco. Główne właściwości narzędzia to odporność na zużycie i odporność na ciepło. Aby zapewnić odporność narzędzia na zużycie, wymagana jest wysoka twardość powierzchni, a aby zachować kształt narzędzia, stal musi być mocna, twarda i ciągliwa. Możliwa temperatura nagrzania narzędzia skrawającego zależy od wytrzymałości cieplnej stali. Stale narzędziowe węglowe są najtańsze. Stosowane są głównie do produkcji małokrytycznych narzędzi skrawających oraz do tłoczenia i obróbki o regulowanych rozmiarach. Produkujemy (GOST 1435-74) wysokiej jakości (U7, U8, U9) i wysokiej jakości (U7A, U8A, U9A) stale węglowe. Litera U w marce wskazuje, że stal jest węglowa, a liczba oznacza średnią zawartość węgla w dziesiątych częściach procenta. Litera A na końcu znaku wskazuje, że stal jest wysokiej jakości. Stale węglowe dostarczane są po wyżarzaniu na granulowanym perlicie. Ze względu na niską twardość w stanie dostawy (HB 187-217) stale węglowe są dobrze przetwarzane przez cięcie i odkształcanie, co pozwala na stosowanie radełkowania, nacinania i innych wysokowydajnych metod wytwarzania narzędzi. Gatunki stali U7, U8, U9 poddawane są całkowitemu hartowaniu i odpuszczaniu w temperaturze 275-350 °C dla trzciny; ponieważ są bardziej lepkie, są używane do produkcji narzędzi stolarskich, hydraulicznych, kowalskich i prasujących. Stale nadeutektoidalne U10, U11, U12 poddawane są niecałkowitemu hartowaniu. Narzędzie tych marek ma zwiększoną odporność na zużycie i wysoką twardość. Stale nadeutektoidalne wykorzystywane są do produkcji narzędzi pomiarowych (sprawdzianów), narzędzi skrawających (pilniki, wiertła) oraz wykrojników i ciągadeł na zimno pracujących przy niskich obciążeniach. Wadą narzędziowych stali węglowych jest utrata wytrzymałości po podgrzaniu powyżej 200 ° C (brak odporności na ciepło). Narzędzia wykonane z tych stali są używane do obróbki miękkich materiałów i przy niskich prędkościach skrawania lub odkształcania. 29. Żeliwo białe, szare, połówkowe, sferoidalne i ciągliwe Tworzenie mikrostruktury, właściwości, znakowanie i zastosowania Żeliwo to stop żelaza i węgla. Żeliwo zawiera węgiel - 2,14% i jest tańszym materiałem niż stal. Posiada niską temperaturę topnienia i dobre właściwości odlewnicze. Możliwe jest wykonanie odlewów o bardziej skomplikowanych kształtach z żeliwa niż ze stali. Odlew struktura żeliwa zawiera koncentratory naprężeń, które mogą być wadami: porowatość, niejednorodność segregacji, mikropęknięcia. Białe żeliwo zawdzięcza swoją nazwę matowemu białemu wzorowi pęknięć. Cały węgiel w tym żeliwie jest w stanie związanym w postaci cementytu. Przemiany fazowe przebiegają według diagramu fazowego (Fe – FeзZ). W zależności od zawartości węgla żeliwa białe są: podeutektyczne (perlit + ledeburyt); eutektyka (ledeburyt); nadeutektyczny (cementyt pierwotny + ledeburyt). Te żeliwa mają większą twardość ze względu na zawartość cementytu; są bardzo delikatne i nie są wykorzystywane do produkcji części maszyn. Odlewy z żeliwa białego służą do produkcji części z żeliwa sferoidalnego metodą wyżarzania grafityzującego. Żeliwa bielone posiadają warstwy powierzchniowe (12-30 mm) o strukturze żeliwa białego i rdzeń z żeliwa szarego. Wysoka twardość powierzchni pozwala na dobrą odporność na ścieranie. Te właściwości bielonego żeliwa wykorzystuje się do produkcji rolek, kół, kul młyńskich, klocków hamulcowych i innych części do walcarek. Żeliwa białe krystalizują zgodnie ze schematem stanu układu stopów żelazo-cementyt. Znaczna zawartość twardego i kruchego cementytu w składzie żeliwa białego powoduje, że żeliwa te są trudne w obróbce. Służą do odlewania części z późniejszym wyżarzaniem do żeliwa sferoidalnego, a także do odlewania rolek tocznych i kół wagonów. Żeliwo szare (techniczne) wzięło swoją nazwę od rodzaju pęknięcia, które ma szary kolor. Grafit występuje w strukturze żeliwa szarego. Struktura żeliwa składa się z metalowej bazy i grafitu, a jego właściwości zależą od tych dwóch składników. Grafit ma niskie właściwości mechaniczne. Przy powolnym chłodzeniu stopów żelazo-węgiel uwalniany jest grafit. W przemyśle stosuje się żeliwa szare podeutektyczne (odlewnicze). Żeliwo szare, które składa się z ferrytu i grafitu, nazywa się ferrytycznym, ponieważ jego metalową podstawą jest ferryt. Cały węgiel w postaci grafitu jest uwalniany podczas bardzo powolnego chłodzenia stopu; jeśli szybkość chłodzenia podczas krystalizacji (zarówno pierwotnej, jak i wtórnej) wzrasta, uwalniany jest nie grafit, ale cementyt. Żeliwo, zawierające do 1,2% fosforu, stosuje się do odlewania artystycznego rur. Znakowanie z żeliwa szarego. Według GOST żeliwo w odlewach jest oznaczone literami SCh z dodatkiem dwóch liczb: pierwsza liczba wskazuje wytrzymałość na rozciąganie (σszt) druga - wydłużenie (σ) w%. Pół żeliwa składa się z perlitu, ledeburytu i grafitu płatkowego. Łączy w sobie dwa kolory - szary i biały. Żeliwo sferoidalne to żeliwo, w którym grafit jest sferoidalny. Zwiększenie wytrzymałości i ciągliwości żeliwa uzyskuje się poprzez modyfikację, która zapewnia wytwarzanie grafitu kulistego (sferoidalnego) zamiast płytkowego. Powierzchnia grafitu sferoidalnego ma mniejszy stosunek do objętości i determinuje największą ciągłość podłoża metalowego oraz wytrzymałość żeliwa. Ta forma grafitu jest otrzymywana przez dodanie magnezu (M) lub ceru (Ce) do ciekłego żeliwa. Żeliwo sferoidalne ma bazę ferrytyczną lub perlityczną. Żeliwo ferrytyczne ma zwiększoną ciągliwość. Według GOST żeliwo jest oznaczone liczbami: pierwsza liczba wskazuje wytrzymałość na rozciąganie (σszt), drugie to wydłużenie (σ) w%. Jeszcze większą wytrzymałość uzyskuje się poprzez modyfikację żeliwa stopowego. Żeliwo sferoidalne jest używane zamiast stali do produkcji części maszyn, urządzeń kuźniczych i prasujących pracujących w łożyskach przy podwyższonych i wysokich ciśnieniach; wały korbowe, koła zębate, sprzęgła i zamiast żeliwa sferoidalnego do produkcji tylnych osi-samochodów. Żeliwo sferoidalne - żeliwo grafitowe płatkowe, nazwa kodowa dla żeliwa miękkiego i sferoidalnego, otrzymywanego z żeliwa białego przez specjalną obróbkę cieplną; nie poddaje się kuciu, ma dużą plastyczność. Żeliwo sferoidalne składa się ze stalowej podstawy i zawiera węgiel w postaci grafitu. Grafit ma postać wtrąceń o zaokrąglonym kształcie, znajdujących się w izolacji od siebie, a podstawa metalowa jest mniej oddzielona, a stop ma znaczną wiązkość i ciągliwość. Właściwości żeliwa sferoidalnego zależą od wielkości wtrąceń grafitu (im mniejsze wtrącenia, tym silniejsze żeliwo), ale determinuje je struktura jego metalowej bazy, która może być ferrytyczna, perlityczna lub mieszana. W zależności od składu żeliwa i metody obróbki cieplnej otrzymuje się dwa rodzaje żeliwa sferoidalnego: czarne i białe. Żeliwo ciągliwe jest materiałem tańszym, ma dobre właściwości mechaniczne i znajduje zastosowanie w inżynierii rolniczej, w motoryzacji, budowie samochodów, budowie obrabiarek. 30. Rola obróbki cieplnej w poprawie jakości materiałów konstrukcyjnych Główne warunki uzyskania niezbędnego zestawu właściwości mechanicznych i innych stopów konstrukcyjnych są stawiane podczas ich rozwoju i wytapiania. Nadanie wymaganych właściwości następuje na kolejnych etapach obróbki, mając na celu nadanie stopowi nie tylko kształtu i wymiarów przewidzianych na rysunku, ale także racjonalnej struktury wewnętrznej, przez którą należy rozumieć fazę konstrukcyjno-fazową skład i struktura dyslokacji, od której bezpośrednio zależy zestaw wymaganych właściwości. Najważniejszymi etapami obróbki stopów są obróbka cieplna i hartowanie powierzchniowe. Obróbka cieplna zapewnia określony poziom właściwości w całej objętości części, a utwardzanie powierzchniowe tylko w niektórych najbardziej obciążonych i mocno zużytych miejscach na powierzchni części. Podstawowe zasady obróbki cieplnej zostały opracowane przez D.K. Czernow i uzupełniony przez A.A. Bochvarov, G.V. Kurdyumow, A.P. Gulajew. Obróbka cieplna rozumiana jest jako zespół operacji nagrzewania i schładzania stopu, wykonywanych według określonego reżimu w celu zmiany jego struktury i uzyskania pożądanych właściwości. Podstawą obróbki cieplnej jest zmiana składu strukturalno-fazowego i struktury dyslokacyjnej stopu, co można osiągnąć wykorzystując takie kluczowe czynniki jak obecność w nim przemian alotropowych czy ograniczona wzajemna rozpuszczalność składników w zależności od temperatury . Wszystkie istniejące rodzaje obróbki cieplnej mające na celu istotną zmianę struktury fazowej i dyslokacyjnej stopów oraz uzyskanie optymalnego zestawu właściwości eksploatacyjnych opierają się na wykorzystaniu jednego z powyższych czynników. W przypadku ich braku tylko bardzo ograniczone wyniki można uzyskać poprzez obróbkę cieplną. Dwa najczęstsze rodzaje obróbki cieplnej. Jedna z nich opiera się na wykorzystaniu specyfiki przemian w stopach ze względu na obecność w nich przemian alotropowych, a druga na zmiennej rozpuszczalności składników w sobie nawzajem podczas nagrzewania i chłodzenia. W obu przypadkach podstawową podstawą technologii obróbki cieplnej, która gwarantuje oczekiwane rezultaty, jest jej tryb. Obejmuje ona następujące elementy: temperaturę nagrzewania, szybkość nagrzewania do danej temperatury, czas utrzymywania w tej temperaturze oraz szybkość chłodzenia. Obróbka cieplna może być wstępna lub ostateczna. Wstępną obróbkę cieplną stosuje się w przypadkach, gdy materiał wymaga przygotowania do dalszych oddziaływań technologicznych - docisku, cięcia itp. Końcowa obróbka cieplna służy przygotowaniu właściwości gotowego materiału. Konkretne wartości charakteryzujące każdy z elementów trybu obróbki cieplnej zależą od składu chemicznego obrabianego stopu, wielkości części oraz celu rodzaju wykonywanej obróbki cieplnej. Zmieniając te wartości, można znacząco zmienić strukturę fazową i dyslokacyjną stopu i nadać mu pożądane właściwości. Charakter przemian zachodzących w stopie oraz sama możliwość uzyskania wymaganej struktury po obróbce cieplnej zależą od temperatury nagrzewania. Dobiera się go w zależności od składu chemicznego stopu i celu obróbki cieplnej. Szybkość nagrzewania dobierana jest w taki sposób, aby zapewnić minimalne straty czasu nagrzewania, a jednocześnie jej wartość powinna wykluczać wystąpienie niebezpiecznych naprężeń termicznych w obrabianym przedmiocie, które mogą prowadzić do wypaczania i pękania części, co obserwuje się gdy ogrzewanie jest zbyt szybkie. Szybkość nagrzewania zależy od przewodności cieplnej przetwarzanego stopu, która z kolei zależy od jego składu chemicznego. Wraz z komplikacją składu pogarsza się przewodność cieplna. Dlatego nagrzewanie stopów o niekorzystnym składzie do określonych temperatur odbywa się bardzo powoli, a następnie przyspiesza. Czas utrzymywania części po osiągnięciu określonej temperatury powinien być wystarczający do jej nagrzania od powierzchni do rdzenia w największym przekroju, a także do całkowitego zakończenia w stopie tych przemian strukturalno-fazowych, które mają charakter dyfuzyjny, które powinny w nim wystąpić w danej temperaturze. Szybkość chłodzenia podczas obróbki cieplnej jest bardzo ważnym elementem reżimu, od którego zależą cechy struktury fazowej i dyslokacyjnej nabytej przez stop. Powinno wystarczyć, aby w stopie zaszły niezbędne przemiany, ale nie za duże, aby uniknąć niebezpiecznych naprężeń termicznych i fazowych, które mogą powodować pękanie lub deformację (wypaczenie) części. Obróbka cieplna służy do ulepszania materiałów konstrukcyjnych, w szczególności stali. Czas obróbki cieplnej zależy bezpośrednio od wielkości obrabianych materiałów i części. 31. Zastosowanie obróbki cieplnej w technologii wytwarzania wykrojów i wyrobów z materiałów konstrukcyjnych Najbardziej charakterystycznym i dobrze zbadanym procesem jest obróbka cieplna stali. Proces ten opiera się na obecności w nim przemian alotropowych, które zachodzą podczas ogrzewania i chłodzenia w zakresie określonych temperatur krytycznych. Dzięki obecności alotropii zachodzą w stali kontrolowane procesy strukturalno-fazowe, które zapewniają wymaganą strukturę fazową i dyslokacyjną. Wytrzymałość strukturalna to pewien zestaw właściwości mechanicznych, które zapewniają długotrwałe i niezawodne działanie materiału w jego warunkach pracy. Wytrzymałość konstrukcyjna to wytrzymałość materiału konstrukcyjnego, uwzględniająca czynniki strukturalne, hutnicze, technologiczne i eksploatacyjne, czyli jest to pojęcie złożone. Uważa się, że należy wziąć pod uwagę co najmniej cztery kryteria: sztywność konstrukcji, wytrzymałość materiału, niezawodność i trwałość materiału w warunkach pracy danej konstrukcji. Sztywność strukturalna. Dla wielu elementów konstrukcyjnych energetyki – ram, podłużnic, płyt płaskich, powłok cylindrycznych itp. – warunkiem decydującym o ich działaniu jest sztywność lokalna lub ogólna (stabilność), zdeterminowana ich kształtem konstrukcyjnym, schematem stanu naprężeń itp., a także właściwości materiału. Wskaźnikiem sztywności materiału jest podłużny moduł sprężystości E (moduł sztywności) - cecha niewrażliwa strukturalnie, która zależy tylko od rodzaju materiału. Spośród głównych materiałów konstrukcyjnych najwyższy moduł E ma stal, a najniższy stopy magnezu i włókno szklane. Ocena tych materiałów zmienia się jednak znacząco, gdy uwzględni się ich gęstość i zastosuje specyficzne kryteria sztywności i stabilności. Oceniając te kryteria, dobrane ze względu na kształt i stan naprężeń, w wielu przypadkach najkorzystniejszymi materiałami są stopy magnezu i włókno szklane, natomiast najmniej korzystne są stale węglowe i stopowe. Siła - zdolność ciała do opierania się deformacji i zniszczeniu. Większość specyfikacji wytrzymałościowych określa się na podstawie statycznej próby rozciągania. Te cechy zależą od struktury i obróbki cieplnej. Oceniając rzeczywistą wytrzymałość materiału konstrukcyjnego, należy wziąć pod uwagę cechy plastyczności, lepkość materiału, ponieważ wskaźniki te określają głównie możliwość pękania kruchego. Dotyczy to również materiałów o dużej wytrzymałości, które dzięki wysokiej wytrzymałości są podatne na kruche pękanie. Niezawodność to zdolność produktu do wykonywania określonych funkcji, przy zachowaniu jego wydajności w określonych granicach przez wymagany okres czasu lub wymagany czas pracy. Niezawodność konstrukcji to także jej zdolność do działania poza sytuacją projektową, na przykład wytrzymywania obciążeń udarowych. Głównym wskaźnikiem niezawodności jest lepkość rezerwowa materiału, która zależy od składu, temperatury (próg kruchości na zimno), warunków obciążenia i pracy pochłoniętej podczas propagacji pęknięć. Najważniejszą cechą decydującą o niezawodności konstrukcji jest odporność materiału na kruche pękanie. Trwałość - właściwość produktu do utrzymania wydajności do stanu granicznego (niemożność jego dalszej eksploatacji). Trwałość konstrukcji zależy od warunków jej pracy. Przede wszystkim są to odporność na zużycie podczas tarcia oraz wytrzymałość styku (odporność materiału na zużycie powierzchniowe występujące podczas tarcia tocznego z poślizgiem). Ponadto trwałość produktu zależy od granicy wytrzymałości, która z kolei zależy od stanu powierzchni i odporności materiału na korozję. Podczas obróbki cieplnej materiałów stosuje się specjalne urządzenia: piece elektryczne, gazowo-płomienne i elewatorowe, wanny hartownicze, kąpiele solne itp. Główne rodzaje obróbki cieplnej: hartowanie wolumetryczne, powierzchniowe, miejscowe; znormalizowane, homogenizujące, wyżarzanie rekrystalizujące, obróbka chemiczno-termiczna i obróbka laserowa; utwardzanie polem impulsu elektrycznego; obróbka cieplna przy zastosowaniu odkształcenia plastycznego, a także obróbka na zimno. Stale konstrukcyjne to stale, które znajdują zastosowanie w produkcji różnych części maszyn oraz wszelkich konstrukcji. Stale, które są używane do budowy konstrukcji lub konstrukcji, nazywane są stalami budowlanymi. Stale konstrukcyjne obejmują zarówno stale stopowe, jak i węglowe. W inżynierii mechanicznej szeroko stosowane są konstrukcyjne stale stopowe GOST 4543-71, którymi są: chrom, mangan, chrom-krzem, chrom-krzem-mangan, chrom-nikiel itp. W zależności od właściwości technicznych stale te dzielą się na nawęglanie stale, stale do azotowania, stale ulepszone przez obróbkę cieplną, stale hartowane na powietrzu itp. 32. Wyżarzanie I rodzaju. Krystalizacja nierównowagowa Ten rodzaj obróbki cieplnej jest możliwy dla dowolnych metali i stopów. Jego realizacja nie wynika z przemian fazowych w stanie stałym. Ogrzewanie podczas wyżarzania I rodzaju, zwiększające ruchliwość atomów, częściowo lub całkowicie eliminuje niejednorodność chemiczną, zmniejsza naprężenia wewnętrzne, tj. przyczynia się do uzyskania stanu równowagi. Podczas takiego wyżarzania zasadnicze znaczenie ma temperatura nagrzewania i czas przetrzymywania w tej temperaturze, ponieważ to właśnie te parametry determinują szybkość procesów eliminujących odchylenia od stanu równowagi. Szybkość nagrzewania i chłodzenia do wyżarzania pierwszego rodzaju ma drugorzędne znaczenie. Wyróżnia się następujące rodzaje wyżarzania I rodzaju: wyżarzanie dyfuzyjne (homogenizujące) służy do eliminacji niejednorodności chemicznej występującej podczas krystalizacji stopu (segregacja dendrytyczna). Wyrównanie składu chemicznego następuje w wyniku procesów dyfuzyjnych, których szybkość zależy od temperatury. Wyżarzanie rekrystalizacyjne stosuje się po odkształceniu plastycznym na zimno (praca na zimno pod ciśnieniem) w celu usunięcia umocnienia przez zgniot i uzyskania stanu równowagi stopu. W wyniku rekrystalizacji w zdeformowanym metalu powstają nowe ziarna, usuwane są naprężenia, a plastyczność metalu zostaje przywrócona. Wyżarzanie w celu zmniejszenia naprężeń występujących podczas kucia, spawania, odlewania, które mogą powodować wypaczenie, tj. zmianę kształtu, rozmiaru, a nawet zniszczenie produktów. krystalizacja nierównowagowa. Proces dyfuzji przebiega powoli, dlatego w rzeczywistych warunkach chłodzenia skład w każdym krysztale i różnych kryształach nie ma czasu na wyrównanie i nie będzie taki sam. Jeżeli rozkład roztworu stałego jest możliwy podczas chłodzenia, to wykres stanu pokazuje początek tego procesu przy najwolniejszym chłodzeniu. Wraz ze wzrostem szybkości chłodzenia spada temperatura, w której zaczyna się wytrącanie fazy nadmiarowej, zmniejsza się ilość wytrąconej fazy, a gdy określa się większą szybkość chłodzenia, roztwór stały bez wytrącania jest całkowicie przechładzany do temperatury pokojowej. Regulując szybkość chłodzenia, można osiągnąć różne stopnie rozkładu, aż do jego całkowitego stłumienia. Takie przesycone roztwory są niestabilne. Jeśli ruchliwość termiczna atomów przechłodzonego roztworu jest niewystarczająca, stan przesycenia może trwać w nieskończoność. W przeciwnym razie z czasem nastąpi stopniowy rozkład przesyconego roztworu z uwolnieniem nadmiaru fazy. Proces ten przyspieszy wraz ze wzrostem temperatury. Fazy wtórne, które powstają w wysokiej temperaturze, podczas powolnego chłodzenia roztworu stałego lub silnego wtórnego ogrzewania schłodzonego (przesyconego) roztworu stałego, mają nie tylko większe rozmiary, ale są orientacyjnie niezwiązane z fazą macierzystą. Warstwa atomów należących do starej fazy graniczy z warstwą atomów należących do sieci nowej fazy. W przypadku wytrącania w niskiej temperaturze nowa β-faza jest zorientowana w pewien sposób w stosunku do początkowej, tak że warstwa graniczna atomów w równym stopniu należy do obu sieci. Taka artykulacja sieci krystalicznych nazywana jest koherentną. Na styku ze spójnym sprzężeniem naprężenia powstają i pozostają tym większe, im większa jest różnica w strukturze (w płaszczyźnie styku) sprzężonych sieci. Jeżeli temperatura stopu wzrasta, to na skutek wzrostu ruchliwości termicznej atomów i obecności naprężeń na granicach faz następuje zerwanie wiązania koherentnego (zjawisko rozpadu koherencji), fazy metastabilne przechodzą w stabilne β -fazy, blaszkowate kryształy fazy β rosną, z tendencją do przybierania zaokrąglonego kształtu. Po zakończeniu tych procesów struktura i skład fazowy będą takie same jak w przypadku powolnego chłodzenia. Proces utrwalania stanu niestabilnego przez szybkie chłodzenie nazywamy hartowaniem, a późniejszy proces stopniowego zbliżania się do stanu równowagi (poprzez ogrzewanie lub długotrwałe utrzymywanie) nazywamy odpuszczaniem i starzeniem. Tak zróżnicowana zmiana struktury, osiągnięta poprzez różne stopnie zbliżenia stopu do stanu równowagi, prowadzi do zróżnicowanej zmiany właściwości, co jest powodem powszechnego stosowania obróbki cieplnej, która opiera się na procesach nierównowagowych krystalizacja. Stopy to substancje składające się z dwóch lub więcej pierwiastków układu okresowego. Otrzymuje się je poprzez spiekanie lub stapianie. Komponent - substancja tworząca stop. Faza jest ograniczoną przestrzennie i odrębną częścią układu, która ma własną sieć krystaliczną i własne właściwości. Substancje jednorodne mają jedną fazę, a substancje heterogeniczne mają kilka faz. Struktura - struktura metalu, w której można rozróżnić poszczególne fazy, ich kształt, wielkość i względne położenie. Struktura wpływa na właściwości. Stan równowagi występuje wtedy, gdy w stopie powstają wszystkie fazy właściwe dla tego układu. Stan ten zapewnia powolne chłodzenie, możliwe jest rozróżnienie wielkości i kształtów faz. Stan nierównowagi - proces tworzenia i rozdzielania faz nie zakończył się, powstaje podczas szybkiego chłodzenia. 33. Wyżarzanie homogenizujące, zmiana struktury i właściwości podczas wyżarzania homogenizującego. Hartowanie z transformacją polimorficzną. Hartowanie bez transformacji polimorficznej Wyżarzanie - operacje nagrzewania i powolnego schładzania stali w celu wyrównania składu chemicznego, uzyskania równowagi struktury, odciążenia naprężeń. Wyżarzanie stosuje się w celu uzyskania struktury równowagowej, dlatego podczas wyżarzania części są powoli schładzane. Stale węglowe - z prędkością 200°C/h, stale stopowe - 30-100°C/h. Wyżarzanie dyfuzyjne (homogenizujące) stosuje się w celu wyeliminowania segregacji (wyrównania składu chemicznego). Opiera się na dyfuzji. Jednocześnie kompozycję wyrównuje się i rozpuszcza nadmiar węglików. Wyżarzanie to przeprowadza się w wysokiej temperaturze przy długim czasie ekspozycji. Stale stopowe poddawane są wyżarzaniu homogenizującemu. Wyjaśnia to fakt, że szybkość dyfuzji węgla rozpuszczonego w austenicie metodą inkorporacji jest o kilka rzędów wielkości większa niż szybkość dyfuzji pierwiastków stopowych rozpuszczonych w austenicie metodą podstawienia. Homogenizacja stali węglowych zachodzi praktycznie podczas procesu nagrzewania. Tryb wyżarzania homogenizującego: ogrzewanie do temperatury 1050-1200°C, czas przetrzymywania 8-10 h. Temperatura homogenizacji powinna być odpowiednio wysoka, ale nie należy dopuszczać do przypalania i topienia ziaren. Podczas spalania tlen zawarty w powietrzu łączy się z cząsteczkami metalu, tworzą się powłoki tlenkowe oddzielające ziarna. Wypalenia w metalu nie da się wyeliminować. Spalony metal jest wadą ostateczną. W wyniku wyżarzania dyfuzyjnego powstają zwykle gruboziarniste ziarna, które należy skorygować poprzez późniejsze pełne wyżarzanie. Wyżarzanie całkowite wiąże się z rekrystalizacją fazową i rozdrobnieniem ziarna. Stal w równowadze zawiera perlit i jest najbardziej ciągliwa. Wyżarzanie pełne ma na celu poprawę struktury stali, aby ułatwić późniejszą obróbkę poprzez cięcie, tłoczenie lub hartowanie, uzyskując drobnoziarnistą strukturę równowagową w gotowej części. Rodzaje (metody) wyżarzania całkowitego: wyżarzanie (normalne i izotermiczne) na perlicie lamelarnym (wtrącenia cementytowe w postaci płyt) oraz wyżarzanie na perlicie ziarnistym (wtrącenia cementytowe w postaci ziaren). Podczas wyżarzania na perlicie lamelarnym półwyroby są chłodzone razem z piecem, najczęściej z częściowym doprowadzeniem paliwa, tak aby szybkość chłodzenia mieściła się w zakresie 10-20 ° C na godzinę. Wyżarzanie zapewnia rozdrobnienie ziarna. Podczas hartowania stali uzyskuje się gruboziarnistą strukturę dzięki swobodnemu rozrostowi ziaren w wyniku przegrzania stali; taka struktura powoduje obniżenie właściwości mechanicznych części. Hartowanie z transformacją polimorficzną. Hartowanie bez transformacji polimorficznej Hartowanie to obróbka cieplna, w której stal uzyskuje strukturę nierównowagową, co wyraża się przede wszystkim wzrostem twardości stali. Hartowanie obejmuje: obróbkę cieplną sorbitolu, trostytu i martenzytu. Stopień nierównowagi produktów utwardzania wzrasta wraz ze wzrostem szybkości chłodzenia i wzrasta od sorbitu do martenzytu. Zaletą prawdziwego hartowania jest możliwość uzyskania wyrobów z martenzytu w wyniku późniejszego odpuszczania wyrobów o zestawach właściwości, których nie można uzyskać innymi rodzajami obróbki cieplnej. Prawdziwe hartowanie jest szeroko stosowane jako obróbka wstępna przed odpuszczaniem. Ważna jest krytyczna szybkość hartowania. Od tego zależy hartowność stali, czyli zdolność do hartowania na określoną głębokość. Krytyczna szybkość utwardzania zależy od stabilności austenitu, którą określa ilość rozpuszczonych w nim węgla i pierwiastków stopowych. Wprowadzenie do stali pierwiastków węglowych i stopowych zwiększa hartowność, którą ocenia się na próbkach cylindrycznych zgodnie z głębokością warstwy półmartenzytu w nich. Warstwa stali semimartenzytycznej zawiera 50% M i 50% T. Głównymi parametrami podczas hartowania są temperatura nagrzewania i szybkość chłodzenia. Temperaturę nagrzewania stali określa się na podstawie diagramów stanu, szybkość chłodzenia określa się na podstawie wykresów izotermicznego rozkładu austenitu. Czas nagrzewania zależy od wielkości części i przewodności cieplnej stali, określonej doświadczalnie. Jednym z celów stopowych stali konstrukcyjnych jest zmniejszenie krytycznej szybkości hartowania i uzyskanie hartowności skrośnej wykonanych z nich części podczas hartowania nie tylko w wodzie, ale także w bardziej miękkich mediach chłodzących. Poziom naprężeń termicznych i fazowych oraz prawdopodobieństwo powstania pęknięć w części zależą od ostrości czynnika chłodzącego. W związku z powyższym, podczas hartowania preferowane są miękkie media hartownicze. Podczas hartowania narzędzia skrawającego wykonanego ze stali wysokowęglowej, w celu zmniejszenia naprężeń wewnętrznych, stosuje się chłodzenie w dwóch środowiskach. W przypadku stali wysokowęglowych, a zwłaszcza stali o wystarczająco wysokiej zawartości pierwiastków stopowych, punkt M leży poniżej temperatury pokojowej, a często poniżej 0 ° C. W związku z tym podczas konwencjonalnego hartowania zatrzymuje się w nich dużo austenitu szczątkowego. Jego obecność zmniejsza twardość hartowanej stali i jej przewodność cieplną, co jest szczególnie niepożądane w przypadku narzędzia skrawającego. Z biegiem czasu austenit szczątkowy ulega przemianom fazowym, prowadząc do zmiany wymiarów produktu. Jest to skrajnie niedopuszczalne w przypadku narzędzia pomiarowego (zszywki, zatyczki). 34. Zmiany w mikrostrukturze i właściwościach mechanicznych metali podczas nagrzewania po obróbce ciśnieniowej na gorąco i na zimno Obróbka metali pod ciśnieniem opiera się na ich zdolności do odkształcania plastycznego w określonych warunkach w wyniku działania sił zewnętrznych na odkształcalny korpus (przedmiot obrabiany). Jeżeli podczas odkształceń sprężystych ciało odkształcalne całkowicie przywraca swój pierwotny kształt i wymiary po usunięciu sił zewnętrznych, to podczas odkształceń plastycznych zmiana kształtu i wymiarów wywołana działaniem sił zewnętrznych utrzymuje się nawet po ustaniu tych sił. Odkształcenie sprężyste charakteryzuje się przesunięciem atomów względem siebie o wielkość mniejszą niż odległości międzyatomowe, a po usunięciu sił zewnętrznych atomy wracają do swojego pierwotnego położenia. Podczas odkształceń plastycznych atomy przemieszczają się względem siebie o wartości większe niż odległości międzyatomowe, a po usunięciu sił zewnętrznych nie wracają do pierwotnego położenia, lecz zajmują nowe pozycje równowagi. W zależności od temperatury i szybkości warunków deformacji rozróżnia się deformację na zimno i na gorąco. Odkształcenie na zimno charakteryzuje się zmianą kształtu ziaren, które wydłużają się w kierunku najbardziej intensywnego przepływu metalu. Podczas odkształcania na zimno zmianie kształtu towarzyszy zmiana właściwości mechanicznych i fizykochemicznych metalu. Zjawisko to nazywa się hartowaniem (hartowaniem). Zmiana właściwości mechanicznych polega na tym, że podczas odkształcenia plastycznego na zimno wraz ze wzrostem jego właściwości wzrastają właściwości wytrzymałościowe, natomiast właściwości plastyczne maleją. Metal staje się twardszy, ale mniej plastyczny. Utwardzanie następuje w wyniku rotacji płaszczyzn poślizgu i wzrostu odkształceń sieci krystalicznej podczas odkształcania na zimno (nagromadzenie dyslokacji na granicach ziaren). Zmiany wprowadzone przez odkształcenie na zimno w strukturze i właściwościach metalu nie są nieodwracalne. Można je wyeliminować np. poprzez obróbkę cieplną (wyżarzanie). W tym przypadku następuje wewnętrzna restrukturyzacja, w której dzięki dodatkowej energii cieplnej zwiększającej ruchliwość atomów, z wielu ośrodków w litym metalu wyrastają nowe ziarna bez przemian fazowych, zastępując wydłużone, zdeformowane ziarna. Ponieważ w jednolitym polu temperatury tempo wzrostu ziaren we wszystkich kierunkach jest takie samo, nowe ziarna, które wydają się zastępować zdeformowane, mają w przybliżeniu takie same rozmiary we wszystkich kierunkach. Zjawisko zarodkowania i wzrostu nowych ziaren równoosiowych zamiast zdeformowanych, wydłużonych, które zachodzi w określonych temperaturach, nazywa się rekrystalizacją. W przypadku czystych metali rekrystalizację rozpoczyna się w temperaturze bezwzględnej równej 0,4 bezwzględnej temperatury topnienia metalu. Rekrystalizacja przebiega z określoną prędkością, a czas potrzebny na rekrystalizację jest tym krótszy, im wyższa jest temperatura nagrzewania odkształcanego przedmiotu. W temperaturach niższych od temperatury, w której rozpoczyna się rekrystalizacja, obserwuje się zjawisko zwane regeneracją. Podczas powrotu (spoczynku) kształt i wymiary odkształconych, wydłużonych ziaren nie ulegają zmianie, natomiast naprężenia własne ulegają częściowemu złagodzeniu. Naprężenia te powstają na skutek nierównomiernego nagrzewania lub chłodzenia (podczas odlewania i obróbki ciśnieniowej), nierównomiernego rozkładu odkształceń podczas odkształcenia plastycznego. Naprężenia własne tworzą układy wzajemnie równoważących się sił i zlokalizowane są w przedmiocie obrabianym, nieobciążonym siłami zewnętrznymi. Usunięcie naprężeń szczątkowych podczas powrotu prawie nie zmienia właściwości mechanicznych metalu, ale wpływa na niektóre jego właściwości fizyczne i chemiczne. Odkształcenie na gorąco to odkształcenie charakteryzujące się stosunkiem szybkości odkształcania i rekrystalizacji, przy którym rekrystalizacja ma czas na zajście w całej objętości przedmiotu obrabianego, a mikrostruktura po obróbce ciśnieniowej okazuje się równoosiowa, bez śladów utwardzania. Aby zapewnić warunki do odkształcenia na gorąco, konieczne jest zwiększenie temperatury nagrzewania przedmiotu obrabianego wraz ze wzrostem jego szybkości (w celu zwiększenia szybkości rekrystalizacji). Jeżeli metal na końcu odkształcenia ma strukturę, która nie jest całkowicie zrekrystalizowana, ze śladami utwardzenia, to takie odkształcenie nazywa się niepełną odkształceniem na gorąco. Niepełne odkształcenie na gorąco prowadzi do niejednorodnej struktury, pogorszenia właściwości mechanicznych i plastyczności. Przy odkształcaniu na gorąco odporność na odkształcenie jest około 10 razy mniejsza niż przy odkształcaniu na zimno, a brak hartowania powoduje, że odporność na odkształcenie (wytrzymałość plastyczności) zmienia się nieznacznie podczas procesu formowania. Ta okoliczność wyjaśnia głównie fakt, że obróbka na gorąco jest wykorzystywana do produkcji dużych części, ponieważ wymaga mniejszych sił odkształcających (o mniejszej mocy sprzętu). Podczas odkształcania na gorąco plastyczność metalu jest wyższa niż podczas odkształcania na zimno. Wpływ odkształcenia na zimno na właściwości metalu można wykorzystać do uzyskania najlepszych właściwości użytkowych części, a kontrolę zmiany właściwości w żądanym kierunku i o pożądaną wartość można osiągnąć poprzez wybór racjonalnej kombinacji odkształcenia na zimno i na gorąco , a także liczbę i tryby obróbki cieplnej w procesie wytwarzania części. 35. Powrót, rekrystalizacja pierwotna i zbiorowa. Wyżarzanie rekrystalizacyjne Około 10-15% całej energii wydatkowanej na odkształcenie plastyczne jest pochłaniane przez metal i kumuluje się w nim w postaci zwiększonej energii potencjalnej przemieszczonych atomów, naprężeń. Odkształcony metal znajduje się w stanie nierównowagi, niestabilnym. Przejście do stanu bardziej równowagi wiąże się ze zmniejszeniem zniekształceń w sieci krystalicznej, usunięciem naprężeń, co jest determinowane możliwością poruszania się atomów. W niskich temperaturach ruchliwość atomu jest niewielka, a w stanie stwardnienia na zimno może utrzymywać się w nieskończoność. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta dyfuzja atomów i w metalu zaczynają rozwijać się procesy, prowadzące do stanu równowagi. To jest zjawisko powrotu. Pierwszy etap powrotu - odpoczynek, obserwuje się przy niskim ogrzewaniu. Podczas odpoczynku następuje zmniejszenie liczby wakatów, zmniejszenie gęstości dyslokacji i częściowe uwolnienie naprężeń. Drugim etapem powrotu jest poligonizacja, czyli podział ziaren na części – wielokąty (podziarna). Poligonizacja następuje w wyniku przesuwania się i wspinania dyslokacji, w wyniku czego dyslokacje o tym samym znaku tworzą „ściany” rozdzielające ziarna na wielokąty. W stanie poligonizowanym kryształ ma mniej energii niż zdeformowany, a tworzenie wielokątów jest procesem korzystnym energetycznie. Temperatura początkowa poligonizacji nie jest stała. Szybkość poligonizacji zależy od rodzaju metalu, stopnia wcześniejszego odkształcenia i zawartości zanieczyszczeń. Po powrocie nie obserwuje się zauważalnych zmian w mikrostrukturze, metal zachowuje swoją włóknistą strukturę. W tym przypadku twardość i wytrzymałość są nieco zmniejszone, a ciągliwość wzrasta. Rekrystalizacja. Po podgrzaniu do odpowiednio wysokich temperatur wzrasta ruchliwość atomów i następuje proces rekrystalizacji. Rekrystalizacja to proces tworzenia i wzrostu nowych ziaren, gdy metal obrobiony na zimno jest podgrzewany do określonej temperatury. Proces ten przebiega dwuetapowo. Wyróżnia się rekrystalizacja pierwotna (przetwarzanie) i zbiorowa. Pierwotna rekrystalizacja (przetwarzanie) polega na tworzeniu zarodków i wzroście nowych równowagowych ziaren o niezniekształconej sieci krystalicznej. Najprawdopodobniej nowe ziarna pojawiają się na granicach bloków i ziaren, wsuwają pakiety do wnętrza ziaren, gdzie siatka metalowa została najsilniej zniekształcona podczas odkształcenia plastycznego. Liczba nowych ziaren stopniowo wzrasta i ostatecznie w strukturze nie pozostają stare, zdeformowane ziarna. Odkształcony metal, który jest w stanie niestabilnym, zwykle przechodzi w stan stabilny z najmniejszą ilością energii swobodnej. Stan ten odpowiada procesowi tworzenia nowych ziaren o niezniekształconej sieci krystalicznej. W miejscach, w których sieć jest najbardziej zniekształcona, a co za tym idzie najmniej stabilna, po podgrzaniu atomy poruszają się, sieć zostaje przywrócona i pojawiają się jądra nowych ziaren równowagi. Jądra nowych ziaren mogą być również objętościami (blokami) o najmniej zniekształconej sieci, gdzie atomy przechodzą z sąsiednich objętości o zniekształconej sieci. Rekrystalizacja kolektywna - drugi etap procesu rekrystalizacji polega na wzroście powstających nowych ziaren. Siłą napędową rekrystalizacji zbiorowej jest energia powierzchniowa ziaren. Wzrost ziaren tłumaczy się tym, że w obecności dużej liczby małych ziaren ich całkowita powierzchnia jest bardzo duża, więc metal ma duży zapas energii powierzchniowej. Wraz z rozdrobnieniem ziaren całkowita długość ich granic staje się mniejsza, co odpowiada przejściu metalu do stanu równowagi. Wraz z początkiem rekrystalizacji następuje znacząca zmiana właściwości metalu, w przeciwieństwie do zmiany właściwości podczas hartowania. Zmniejsza się wytrzymałość metalu. Plastyczność, ciągliwość, przewodność cieplna i inne właściwości spadają podczas hartowania.Na właściwości metalu duży wpływ ma wielkość ziaren powstałych w wyniku rekrystalizacji. Wielkość ziarna wzrasta wraz ze wzrostem czasu utrzymywania. Największe ziarna powstają po niewielkim odkształceniu wstępnym. Ten stopień odkształcenia nazywa się krytycznym. Wyżarzanie rekrystalizujące. Ten rodzaj wyżarzania przeprowadza się w celu wyeliminowania utwardzania metalu odkształcanego na zimno. Metal obrabiany na zimno jest bardzo twardy i kruchy, jego sieć krystaliczna znajduje się w stanie nierównowagowym i posiada duży zapas nadmiaru darmowej energii. W metalu mocno hartowanym na zimno, w wyniku łączenia się dyslokacji w miejscach ich gromadzenia, obserwuje się niebezpieczne defekty - zarodki pęknięć. W niektórych przypadkach należy wyeliminować utwardzanie. Wymaga to ogrzewania w celu pobudzenia procesów dyfuzyjnych. Jednakże wyżarzanie rekrystalizujące jest bardziej preferowane ze względu na znacznie niższą temperaturę i znacznie krótszy czas trwania, przy prawie identycznych wynikach. 36. Wyżarzanie drugiego rodzaju. Wyżarzanie i normalizacja stali; tryby i cel wyżarzania i normalizacji Wyżarzanie to nagrzewanie i powolne chłodzenie stali. Wyżarzanie drugiego rodzaju – zmiana struktury stopu w celu uzyskania struktur równowagowych; Wyżarzanie drugiego typu obejmuje wyżarzanie całkowite, niepełne i izotermiczne. Wyżarzanie rekrystalizujące opiera się na rekrystalizacji fazowej, czyli jest wyżarzaniem drugiego rodzaju. Jego głównym celem jest całkowita zmiana składu fazowego. Temperatura ogrzewania i czas przetrzymywania muszą zapewnić niezbędne przemiany strukturalne; szybkość chłodzenia dobiera się tak, aby miały czas na wystąpienie przemian fazy odwróconej dyfuzji. Po wyżarzaniu uzyskuje się jednorodną drobnoziarnistą strukturę, zmniejsza się twardość, zwiększa się ciągliwość, a wyżarzanie typu II stosuje się jako wstępną obróbkę cieplną i przed obróbką części stalowych na maszynach do cięcia metalu. W zależności od temperatury ogrzewania rozróżnia się wyżarzanie całkowite i niepełne. W przypadku stali podeutektoidalnej stosuje się wyżarzanie pełne. Produkty są podgrzewane w celu zapewnienia całkowitej rekrystalizacji – przemiany pierwotnej struktury ferrytowo-perlitowej w austenit. Jego celem jest ulepszenie struktury stali w celu ułatwienia późniejszej obróbki poprzez cięcie, tłoczenie lub hartowanie, a także uzyskanie drobnoziarnistej równowagowej struktury perlitu w gotowej części. Wyżarzanie niepełne wiąże się z rekrystalizacją fazową, stosuje się je po obróbce ciśnieniowej na gorąco, gdy przedmiot ma strukturę drobnoziarnistą. Po schłodzeniu uzyskana zostanie chropowata struktura, składająca się z dużych ziaren ferrytu i perlitu. Stal ma niską ciągliwość. Wytwarzaniu cementytu ziarnistego sprzyja odkształcenie plastyczne na gorąco poprzedzające wyżarzanie, w którym następuje kruszenie sieci cementytu. Stal z ziarnistym cementytem jest lepiej przetwarzana przez narzędzia skrawające i po utwardzeniu uzyskuje dobrą strukturę. W celu zaoszczędzenia czasu przeprowadzane jest wyżarzanie izotermiczne. Podczas wyżarzania izotermicznego, podczas procesu przetrzymywania, temperatura wyrównuje się na przekroju produktu. Przyczynia się to do bardziej jednolitej struktury i jednolitych właściwości. Takiemu wyżarzaniu poddawane są stale stopowe. Podczas wyżarzania stali stopowych wzrasta nie tylko czas ogrzewania i utrzymywania, ale także czas chłodzenia. Stale wysokostopowe są chłodzone z małą szybkością ze względu na większą stabilność stopowego austenitu. Ich twardość pozostaje wysoka po wyżarzaniu, co pogarsza skrawalność narzędzia skrawającego. Normalizacja to obróbka cieplna stali, w której produkt jest podgrzewany do stanu austenitycznego i chłodzony w nieruchomym powietrzu. Różnica między normalizacją a wyżarzaniem pełnym dla stali podeutektoidalnych dotyczy tylko szybkości chłodzenia. W wyniku normalizacji uzyskuje się drobniejszą strukturę eutektoidy, zmniejszają się naprężenia wewnętrzne, eliminowane są wady powstałe w procesie wcześniejszej obróbki produktów. Twardość i wytrzymałość są wyższe niż po wyżarzaniu. Normalizacja jest stosowana jako operacja pośrednia poprawiająca strukturę. Cechami tego rodzaju obróbki cieplnej są temperatura grzania i chłodzenie w nieruchomym powietrzu. Cechy te wynikają z określonych celów normalizacji. W odniesieniu do stali podeutektoidalnych, zwłaszcza niskowęglowych, normalizacja w krótszym czasie i przy większej prostocie reżimu chłodzenia umożliwia uzyskanie takich samych wyników jak przy wyżarzaniu. Chłodzenie w powietrzu zapewnia wysoki stopień przechłodzenia austenitu niż podczas wyżarzania, produkty jego rozkładu okazują się bardziej rozproszone, a gęstość powstających dyslokacji zbliża się do 108 cm2, w wyniku czego korzystniejsza jest struktura stali drobnoziarnistej o zwiększonej właściwości wytrzymałościowe można uzyskać przez normalizację. W niektórych przypadkach, gdy od materiału produktu nie są wymagane podwyższone właściwości wytrzymałościowe, normalizacja zastępuje hartowanie. Dotyczy to zwłaszcza części wykonanych ze stali niskowęglowej, dla których zastosowanie hartowania jest wykluczone ze względu na bardzo wysoką krytyczną prędkość hartowania. Podczas normalizacji stali nadeutektoidalnych, ze względu na przyspieszone oddzielanie nadmiaru (wtórnego) cementytu od austenitu, nie powstaje niepożądana sieć cementytu wokół ziaren perlitu. W związku z tym jednym z celów normalizacji jest zniszczenie wspomnianej sieci w stalach nadeutektoidalnych. Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja) stali zachodzi w temperaturach 500-550°C; wyżarzanie w celu złagodzenia naprężeń wewnętrznych - w temperaturach 600-700°. Te rodzaje wyżarzania łagodzą naprężenia wewnętrzne w odlewach na skutek nierównomiernego chłodzenia ich części oraz w przedmiotach obrabianych pod ciśnieniem w temperaturach poniżej krytycznych. Wyżarzanie dyfuzyjne stosuje się w przypadkach, gdy w stali obserwuje się segregację wewnątrzkrystaliczną. Wyrównanie składu w ziarnach austenitu uzyskuje się poprzez dyfuzję węgla i innych zanieczyszczeń w stanie stałym wraz z samodyfuzją żelaza. W rezultacie stal staje się jednorodna w składzie (jednorodna), więc wyżarzanie dyfuzyjne nazywane jest również homogenizacją. Temperatura homogenizacji powinna być wystarczająco wysoka, ale ziarna nie powinny być spalone. 37. Urlop stali. Przemiany w stali podczas odpuszczania, zmiany mikrostruktury i właściwości Odpuszczanie to operacja podgrzewania stali hartowanej w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych i nadania zestawu właściwości mechanicznych, które są niezbędne do długotrwałej pracy produktu. Odpuszczanie odbywa się poprzez nagrzewanie części zahartowanych na martenzyt do temperatury niższej od temperatury krytycznej. W tym przypadku w zależności od temperatury ogrzewania można uzyskać stany martenzytu, troostytu lub odpuszczającego sorbitu. Stany te różnią się od stanów twardnienia strukturą i właściwościami: podczas utwardzania cementyt (w troostycie i sorbicie) uzyskuje się w postaci wydłużonych płytek, podobnie jak w perlicie lamelarnym. A kiedy go opuścisz, okazuje się, że jest ziarnisty lub kropkowany, jak w granulowanym perlicie. Podczas odpuszczania stali zahartowanej do martenzytu zachodzą w niej przemiany, które prowadzą do rozkładu martenzytu i powstania równowagowego składu strukturalno-fazowego. Intensywność i wynik tych przemian zależą od temperatury odpuszczania. Temperaturę odpuszczania dobiera się w zależności od funkcjonalnego celu operacyjnego produktu. W trakcie wieloletniej praktyki operacyjnej i produkcyjnej wykształciły się trzy główne grupy produktów, które do pomyślnego działania wymagają „własnych” specyficznych kompleksów o właściwościach lepkościowo-wytrzymałościowych. Pierwsza grupa: narzędzia pomiarowe do cięcia i matryce do tłoczenia na zimno. Ich materiał wymaga dużej twardości i niewielkiego marginesu lepkości. Druga grupa to sprężyny i sprężyny, których materiał wymaga połączenia wysokiej granicy sprężystości z zadowalającą lepkością. Trzecia grupa obejmuje większość części maszyn, które podlegają obciążeniom statycznym, a zwłaszcza dynamicznym lub cyklicznym. Przy wieloletniej eksploatacji wyrobów ich materiał wymaga połączenia zadowalających właściwości wytrzymałościowych z maksymalną lepkością. W zależności od temperatury grzania rozróżnia się trzy rodzaje odpuszczania: niskotemperaturowe (niskie), średniotemperaturowe (średnie) i wysokotemperaturowe (wysokie). Zaletą struktury punktowej jest korzystniejsze połączenie wytrzymałości i plastyczności. Przy niskim odpuszczaniu (nagrzewanie do temperatury 200-300°C) martenzyt pozostaje głównie w konstrukcji stalowej, dodatkowo rozpoczyna się oddzielanie węglików żelaza od stałego roztworu węgla w żelazie XNUMX-i ich wstępna akumulacja w małych grupach . Pociąga to za sobą nieznaczny spadek twardości oraz wzrost plastycznych i plastycznych właściwości stali, a także zmniejszenie naprężeń wewnętrznych w częściach. W przypadku niskiego odpuszczania części przetrzymuje się przez pewien czas, zwykle w kąpielach olejowych lub solnych. Niskie odpuszczanie stosuje się do narzędzi skrawających, pomiarowych i przekładni. Podczas odpuszczania średniego i wysokiego stal przechodzi ze stanu martenzytu do stanu troostytu lub sorbitolu. Im wyższe odpuszczanie, tym niższa twardość hartowanej stali i większa jej ciągliwość i wytrzymałość. Dzięki wysokiemu odpuszczaniu stal uzyskuje połączenie właściwości mechanicznych, zwiększonej wytrzymałości, ciągliwości i udarności, dlatego wysokie odpuszczanie stali po utwardzeniu do martenzytu nazywane jest matrycą kuźniczą, sprężynami, sprężynami i wysokim - w przypadku wielu części narażonych na duże naprężenia. W przypadku niektórych gatunków stali odpuszczanie przeprowadza się po normalizacji. Odnosi się to do drobnoziarnistej stopowej stali podeutektoidalnej (zwłaszcza niklu) o wysokiej ciągliwości, a zatem słabej skrawalności narzędziem skrawającym. W celu poprawy skrawalności stal normalizuje się w podwyższonych temperaturach (do 950-970°), w wyniku czego uzyskuje dużą strukturę (co warunkuje lepszą skrawalność) i jednocześnie zwiększoną twardość (ze względu na niski wskaźnik krytyczny hartowanie stali niklowej). W celu zmniejszenia twardości stal ta jest hartowana wysoko. Celem odpuszczania nie jest po prostu wyeliminowanie naprężeń wewnętrznych w hartowanej stali. Przy niskim odpuszczaniu martenzyt jest częściowo uwalniany od atomów węgla, które przesycają jego sieć, a martenzyt odpuszczający jest oparty na przesyconym stałym roztworze węgla. Odpuszczanie średniotemperaturowe (średnie) odbywa się w temperaturze od 350 do 450 °C. Przy takim ogrzaniu rozkład martenzytu jest zakończony, co prowadzi do powstania ferrytu i cementytu o normalnym składzie i strukturze wewnętrznej. Ze względu na niewystarczającą intensywność procesów dyfuzyjnych wielkość ziarna powstałych faz okazuje się bardzo mała. Odpuszczanie wysokotemperaturowe (wysokie) odbywa się w temperaturze 500-650 °C. W takich warunkach nagrzewania, przy wzmożonych procesach dyfuzyjnych, dochodzi do powstawania większych ziaren ferrytu i cementytu, czemu towarzyszy zmniejszenie gęstości dyslokacji i całkowite wyeliminowanie naprężeń szczątkowych. Produkt rozkładu martenzytu, zwany sorbitem odpuszczającym, otrzymywany przy wysokim odpuszczaniu, ma najwyższą lepkość dla stali. Taki kompleks idealnie nadaje się do części maszyn poddanych obciążeniom dynamicznym. Ze względu na tę zaletę obróbka cieplna łącząca hartowanie i wysokie odpuszczanie od dawna nazywana jest poprawą. 38. Obróbka chemiczno-termiczna stali. Cel, rodzaje i ogólne wzorce. Nasycenie dyfuzyjne stopów metalami i niemetalami Obróbka chemiczno-termiczna (CHT) - obróbka z kombinacją efektów termicznych i chemicznych w celu zmiany składu, struktury i właściwości warstwy powierzchniowej części w wymaganym kierunku, w którym następuje nasycenie powierzchni materiału metalowego odpowiednim pierwiastkiem (C, T, B, Al, Cr, Si) występuje , T, itd.) przez jego dyfuzję w stanie atomowym z otoczenia w wysokiej temperaturze. Obróbka chemiczna metali i stopów, zarówno w celu utwardzenia ich powierzchni, jak i ochrony przed korozją, zwiększa niezawodność i trwałość części maszyn. CTO obejmuje główne powiązane ze sobą etapy: 1) tworzenie aktywnych atomów w środowisku nasycającym i ich dyfuzja na powierzchnię obrabianego metalu; 2) atomy aktywne powstałe w wyniku adsorpcji przez powierzchnię nasycenia; 3) ruch dyfuzyjny zaadsorbowanych atomów wewnątrz metalu. Rozwój procesu dyfuzyjnego prowadzi do powstania warstwy dyfuzyjnej - materiału części na powierzchni nasycenia, która różni się od oryginału składem chemicznym, strukturą i właściwościami. Materiał części znajdującej się pod warstwą dyfuzyjną, na którą nie wpływa nasycający ośrodek aktywny, nazywany jest rdzeniem. Całkowita grubość warstwy dyfuzyjnej to najkrótsza odległość od powierzchni nasycenia do rdzenia. Efektywna grubość warstwy dyfuzyjnej to najkrótsza odległość powierzchni nasycenia od odcinka pomiarowego, która różni się o ustaloną maksymalną wartość nominalną parametru podstawowego. Podstawowym parametrem warstwy dyfuzyjnej jest parametr materiałowy, który służy jako kryterium zmiany jakości w zależności od odległości od powierzchni nasycenia. Strefą przejściową warstwy dyfuzyjnej jest wewnętrzna część warstwy dyfuzyjnej przylegająca do rdzenia, której wielkość wynika z różnicy grubości całkowitej i efektywnej. Stage XTO - dyfuzja. W metalach podczas tworzenia substytucyjnych roztworów stałych dyfuzja zachodzi głównie zgodnie z mechanizmem wakancji. W tworzeniu śródmiąższowych roztworów stałych realizowany jest mechanizm dyfuzji wzdłuż szczelin. Nawęglanie stali - CTO, polegające na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy powierzchniowej stali węglem po podgrzaniu w gaźniku, odbywa się w temperaturze 930-950 ° C, gdy austenit jest stabilny, rozpuszczając węgiel w dużych ilościach. Do nawęglania stosuje się niskowęglowe stale stopowe. Części dostarczane są do nawęglania po obróbce skrawaniem z naddatkiem na szlifowanie. Główne rodzaje spoin to stałe i gazowe. Nawęglanie gazowe jest bardziej zaawansowanym procesem technologicznym niż nawęglanie stałe. W przypadku nawęglania gazowego można uzyskać zadaną koncentrację węgla w warstwie; czas trwania procesu jest skrócony; zapewniona jest możliwość pełnej mechanizacji i automatyzacji procesu; upraszcza obróbkę cieplną części. Obróbka cieplna jest konieczna w celu: skorygowania struktury i udoskonalenia ziarna rdzenia i warstwy cementowanej; uzyskać wysoką twardość w warstwie cementowanej i dobre właściwości mechaniczne rdzenia. Po nawęglaniu obróbka cieplna polega na podwójnym hartowaniu i odpuszczaniu. Wadą takiej obróbki cieplnej jest złożoność procesu technologicznego, możliwość utleniania i dekarbonizacji. Końcową operacją jest niskie odpuszczanie w temperaturze 160-180°C, które przekształca utwardzony martenzyt w warstwie powierzchniowej w odpuszczony martenzyt, odciążając i poprawiając właściwości mechaniczne. Azotowanie stali - XTO, które polega na dyfuzyjnym nasycaniu azotem warstwy wierzchniej stali po nagrzaniu w odpowiednim medium. Twardość warstwy stali azotowanej jest wyższa niż warstwy nawęglonej i zostaje zachowana po nagrzaniu do wysokich temperatur (450-500°C), natomiast twardość warstwy nawęglonej, która ma strukturę martenzytyczną, utrzymuje się do 200 -225°C. Azotowanie często prowadzi się w temperaturze 500-600 °C. Nasycenie dyfuzyjne stopów metalami i niemetalami Borowanie to nasycanie powierzchni metali i stopów borem w celu zwiększenia twardości, odporności na zużycie i korozję. Borowanie stosuje się do stali klasy perlitycznej, ferrytycznej i austenitycznej, metali ogniotrwałych i stopów niklu. Silikonizacja. W wyniku dyfuzyjnego nasycenia powierzchni krzemem wzrasta odporność korozyjna, żaroodporność, twardość i odporność na zużycie metali i stopów. Chromowanie – nasycenie powierzchni wyrobów chromem. Chromowaniu dyfuzyjnemu poddawane są żeliwa, stale różnych klas, stopy na bazie niklu, molibdenu, wolframu, niobu, kobaltu oraz materiały metalowo-ceramiczne. Chromowanie odbywa się w komorach próżniowych w temperaturze 1420 °C. Aluminiowanie to proces dyfuzyjnego nasycania powierzchni wyrobów aluminium w celu zwiększenia odporności na ciepło, korozję i erozję. Podczas aluminiowania żelaza i stali obserwuje się stopniowy spadek stężenia aluminium wraz z grubością warstwy. Celem hartowania powierzchniowego jest zwiększenie twardości, odporności na zużycie i wytrzymałości powierzchni przedmiotów obrabianych. Jednocześnie rdzeń pozostaje lepki, a produkt odbiera obciążenia udarowe. 39. Starzenie się. Cel, zmiana mikrostruktury i właściwości stopów podczas starzenia Odpuszczanie i starzenie to rodzaje obróbki cieplnej, które zmieniają właściwości hartowanych stopów. Terminem odpuszczanie zwykle określa się tylko te stopy, które zostały poddane hartowaniu z przemianą polimorficzną, natomiast terminem starzenie – w przypadku hartowania bez przemiany polimorficznej (po takim hartowaniu utrwala się przesycony roztwór stały). Celem odpuszczania stali jest poprawa jej właściwości. Odpuszczanie stali łagodzi efekt hartowania, zmniejsza lub usuwa naprężenia szczątkowe, zwiększa ciągliwość, zmniejsza twardość i kruchość stali. Odpuszczanie odbywa się poprzez nagrzewanie części zahartowanych na martenzyt do temperatury niższej od temperatury krytycznej. W przeciwieństwie do odpuszczania po starzeniu wzrasta wytrzymałość i twardość, a plastyczność maleje. Głównym procesem podczas starzenia jest rozkład przesyconego roztworu stałego, który powstaje w wyniku hartowania. Starzenie stopów wiąże się więc ze zmienną rozpuszczalnością fazy nadmiarowej, a twardnienie podczas starzenia następuje w wyniku rozproszonych wydzieleń podczas rozkładu przesyconego roztworu stałego i wynikających z tego naprężeń wewnętrznych. W starzejących się stopach wydzielenia z przesyconych roztworów stałych występują w następujących głównych postaciach: cienkiej płyty (w kształcie dysku), równoosiowej (zwykle kulistej lub sześciennej) i igiełkowej. Energia odkształceń sprężystych jest minimalna dla wydzieleń w postaci cienkich płytek - soczewek. Głównym celem starzenia jest zwiększenie wytrzymałości i stabilizacja właściwości. Rozróżnia się starzenie naturalne, starzenie sztuczne i po odkształceniu plastycznym. Naturalne starzenie to samorzutny wzrost wytrzymałości (i spadek ciągliwości) utwardzonego stopu, który zachodzi w wyniku utrzymywania go w normalnej temperaturze. Ogrzewanie stopu zwiększa ruchliwość atomów, co przyspiesza proces. Roztwory stałe w niskich temperaturach najczęściej rozkładają się do etapu tworzenia strefy. Strefy te są obszarami rozproszonymi, wzbogaconymi w nadmiar składnika. Zachowują strukturę krystaliczną, jaką posiadało oryginalne rozwiązanie. Strefy noszą nazwy Guiniera i Prestona. Przy pomocy mikroskopii elektronowej strefy te można zaobserwować w stopach Al – Ag, które mają postać kulistych cząstek o średnicy ~10A. Stopy Al-Cu mają płyty strefowe o grubości <10A. Sztuczne starzenie to wzrost wytrzymałości, który następuje podczas starzenia w podwyższonych temperaturach. Jeśli utwardzony stop mający strukturę przesyconego roztworu stałego podda się odkształceniu plastycznemu, przyspiesza to procesy zachodzące podczas starzenia. Ten typ starzenia nazywany jest starzeniem deformacyjnym. Obróbka cieplna stopów aluminium składa się z dwóch cykli – hartowania i starzenia. Starzenie obejmuje wszystkie procesy zachodzące w przesyconym roztworze stałym - procesy przygotowujące do separacji i procesy separacji. Transformację, w której zachodzą jedynie procesy wydzieleniowe, nazywa się utwardzaniem wydzieleniowym. W praktyce duże znaczenie ma okres inkubacji – czas, w którym w utwardzonym stopie wykonywane są procesy przygotowawcze, czas, w którym utwardzony stop zachowuje wysoką ciągliwość. Umożliwia to odkształcenie na zimno bezpośrednio po hartowaniu. Jeżeli podczas starzenia zachodzą tylko procesy wydzieleniowe, bez skomplikowanych procesów przygotowawczych, to zjawisko to nazywamy twardnieniem wydzieleniowym. Praktyczne znaczenie zjawiska starzenia stopów jest bardzo duże. Tak więc po starzeniu wzrasta wytrzymałość i zmniejsza się ciągliwość stali niskowęglowej w wyniku rozproszonego wytrącania w ferrycie trzeciorzędowego cementytu i azotków. Starzenie jest głównym sposobem utwardzania stopów aluminium, niektórych stopów miedzi oraz wielu stopów wysokotemperaturowych i innych. Obecnie coraz szerzej stosowane są stopy maraging. Obecnie dość często zamiast określenia „naturalne starzenie się” używa się określenia „starzenie w niskiej temperaturze”, a zamiast „sztucznego starzenia” używa się określenia „starzenie w wysokiej temperaturze”. Pierwszymi metalami, które uległy wzmocnieniu poprzez starzenie, były stopy aluminium. Hartowanie prowadzono w temperaturach powyżej 100°C. Różnice w procesie rozkładu obserwuje się w różnych przedziałach temperaturowych. Dlatego, aby uzyskać optymalny zestaw właściwości w stopach, stosuje się złożone starzenie, które zachodzi w określonej kolejności, w niskich i wyższych temperaturach. Najistotniejsze jest starzenie się stopów, spowodowane procesem rozkładu nasyconego roztworu stałego. Po schłodzeniu stopów pojawia się stan przesycenia roztworu stałego. Wynika to z faktu, że w wysokich temperaturach wzrasta rozpuszczalność zanieczyszczeń i składników stopowych. 40. Klasyfikacja i oznakowanie stali stopowych. Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany, mikrostrukturę i właściwości stali; zasady rozwoju stali stopowych Stal stopowa to stal, która oprócz zanieczyszczeń węglowych i konwencjonalnych zawiera inne pierwiastki poprawiające jej właściwości. Do stali stopowej wykorzystuje się chrom, nikiel, mangan, krzem, wolfram, molibden, wanad, kobalt, tytan, aluminium, miedź i inne pierwiastki. Mangan uznawany jest za składnik stopowy tylko wtedy, gdy jego zawartość w stali przekracza 1%, natomiast krzem uważa się za składnik stopowy, gdy jego zawartość przekracza 0,8%. Do stali wprowadzane są pierwiastki stopowe, które zmieniają jej właściwości mechaniczne, fizyczne i chemiczne oraz w zależności od przeznaczenia stali pierwiastki zmieniające właściwości we właściwym kierunku. Stal stopowa wielu gatunków uzyskuje wysokie właściwości fizyczne i mechaniczne dopiero po obróbce cieplnej. W zależności od całkowitej ilości pierwiastków stopowych zawartych w stali dzieli się ją na niskostopowe (całkowita zawartość pierwiastków stopowych jest mniejsza niż 2,5%), średniostopowe (od 2,5 do 10%) i wysokostopowe (ponad 10 %). Wadą stali węglowej jest to, że stal ta nie ma pożądanej kombinacji właściwości mechanicznych. Wraz ze wzrostem zawartości węgla wzrasta wytrzymałość i twardość, ale jednocześnie gwałtownie spada ciągliwość i wytrzymałość, a kruchość wzrasta. Narzędzia tnące ze stali węglowej są bardzo kruche i nie nadają się do udarowego obciążania narzędzia. Stal węglowa często nie spełnia wymagań odpowiedzialnej budowy maszyn i narzędzi. W takich przypadkach konieczne jest użycie stali stopowej. Pierwiastki stopowe w stosunku do węgla dzielą się na dwie grupy: 1) pierwiastki tworzące trwałe związki chemiczne z węglem - węgliki (chrom, mangan, molibden, wolfram, tytan); węgliki mogą być proste (na przykład Cr4 C) lub złożone stopowe (na przykład ((FeСг)7С3); ich twardość jest zwykle wyższa niż twardość węglika żelaza, a ich kruchość jest mniejsza; 2) pierwiastki, które w obecności żelaza nie tworzą węglików i są zawarte w roztworze stałym - ferryt (nikiel, krzem, kobalt, aluminium, miedź). Po uzgodnieniu stal stopowa dzieli się na konstrukcyjną, narzędziową i stalową o specjalnych właściwościach fizycznych i chemicznych. Do produkcji części maszyn wykorzystuje się stal konstrukcyjną; dzieli się na cementowe (podlegające cementowaniu) i ulepszone (podlegające ulepszeniu - hartowanie i wysokie odpuszczanie). Do stali o specjalnych właściwościach zalicza się: nierdzewne, żaroodporne, kwasoodporne, trudnościeralne, o specjalnych właściwościach magnetycznych i elektrycznych. Oznaczenie według GOST do oznaczania pierwiastków stopowych: X - chrom, N - nikiel, G - mangan, C - krzem, B - wolfram, M - molibden, K - kobalt. Dla konstrukcyjnych stali stopowych przyjęto oznaczenie, w którym dwie pierwsze cyfry oznaczają średnią zawartość węgla w setnych procentach, litery oznaczają obecność odpowiednich pierwiastków stopowych, a cyfry następujące po literach oznaczają procentową zawartość tych składników w stali. Jeśli po dowolnej literze nie ma cyfry, zawartość tego pierwiastka w stali wynosi około 1%. Jeśli brakuje tej liczby, oznacza to, że stal zawiera około lub więcej niż 1% węgla. W celu oznaczenia stali wysokiej jakości na końcu oznaczenia dodaje się literę A. Stal wysokiej jakości zawiera mniej siarki i fosforu niż zwykła stal wysokiej jakości. Stale specjalnego przeznaczenia posiadają specjalne oznaczenie liter umieszczonych z przodu: Ř - łożysko kulkowe, R - szybkobieżne, Zh - stal nierdzewna chromowa klasy ferrytycznej, I - stal nierdzewna chromowo-niklowa klasy austenitycznej, E - stal elektryczna. Wiele stali można zaliczyć do materiałów konstrukcyjnych o dość wysokich właściwościach wytrzymałościowych. Do takich stali zaliczamy: stale węglowe, stale niskostopowe, stale średniostopowe o wysokiej wytrzymałości, stale wysokostopowe o dużej wytrzymałości (starzenie martenzytyczne). Wszystkie stale stopowe można podzielić na grupy w zależności od czterech cech: zgodnie ze strukturą równowagi stali, zgodnie ze strukturą po schłodzeniu stali w powietrzu, zgodnie ze składem stali, zgodnie z przeznaczeniem stali. W zależności od ilości węgla zawartego w stali wyróżnia się następujące typy: niskowęglowe do 0.1-0.2%, średniowęglowe i wysokowęglowe 0.6-1.7% C. Strukturą stali może być stal podeutektoidalna (ferryt + perlit), eutektoidalna (perlit) i nadeutektoidalna (perlit + cementyt). Istnieją trzy sposoby wytapiania stali: gotowanie, pół-spokojne, spokojne. Przy metodzie wrzenia w konstrukcji stalowej znajduje się duża ilość pęcherzyków gazu, które są wynikiem odtleniania stali w formach i uwalniania CO. Stale pozyskuje się również za pomocą konwertorów, pieców elektrycznych i instalacji do ciągłego odlewania. 41. Stale konstrukcyjne: konstrukcyjne, inżynieryjne, o wysokiej wytrzymałości. Stale narzędziowe: stale narzędziowe, stale łożyskowe, stale matrycowe Stale narzędziowe węglowe U8, U10, U11, U12, ze względu na niską stabilność przechłodzonego austenitu, mają niską hartowność, są stosowane na małe narzędzia. Stale U10, U11, U12 stosuje się na narzędzia skrawające (wiertła, pilniki), U7 i U8 na narzędzia do obróbki drewna. Stale można stosować jako narzędzia skrawające jedynie do skrawania z małymi prędkościami, ponieważ ich wysoka twardość (U10-U12-62-63НРС) znacznie spada po podgrzaniu do temperatury powyżej 190-200°C. Stale stopowe o podwyższonej hartowności nie posiadające odporności cieplnej (11HF, 13X, HVSG, 9XS, X, V2F) nadają się do cięcia materiałów o niskiej wytrzymałości, stosowane są na narzędzia nienagrzewane podczas pracy. Stale stopowe mają wyższą hartowność niż stale węglowe. Stale szybkotnące (R6M5, R12F3, R8M3) charakteryzują się wysoką odpornością cieplną oraz wysoką twardością, wytrzymałością i odpornością na zużycie w podwyższonych temperaturach, które występują w krawędzi skrawającej podczas skrawania z dużą prędkością. Głównymi pierwiastkami stopowymi tych stali są wolfram, molibden, kobalt i wanad. Stal węglowa dzieli się na stal konstrukcyjną (miękką i średniotwardą) oraz narzędziową (twardą). Stal konstrukcyjna według GOST dzieli się na: 1) stal węglowa zwykłej jakości, walcowana na gorąco, wytopiona metodą martenowską lub Bessemera; 2) wysokogatunkowe stale węglowe, maszynowe, gorącowalcowane i kute, wytopione w piecach martenowskich lub elektrycznych. Stal ta jest używana do produkcji bardziej krytycznych części maszyn i mechanizmów. Stal konstrukcyjna stopowa jest używana do produkcji krytycznych części maszyn i konstrukcji metalowych. Potrójna stal stopowa. Chrom jako składnik stopowy pomaga zwiększyć wytrzymałość stali i jest stosunkowo tani. Chrom nadaje stali dobrą odporność na zużycie, a wraz ze wzrostem zawartości węgla, wysoką twardość w wyniku tworzenia się węglików. Stal nisko- i średniostopowa chromowa jest szeroko stosowana w budowie samolotów, samochodów i ciągników, a także w innych gałęziach inżynierii do produkcji osi, wałów, kół zębatych i innych części. Stal chromowa o zawartości 0,4-1,65% Cr i 0,95-1,15% C tworzy grupę stali łożyskowych. Do produkcji narzędzi wykorzystuje się również niskostopową stal chromową. Stal wysokostopowa chromowa jest nierdzewna i odporna na korozję nie tylko w powietrzu, ale również w agresywnych środowiskach. Zachowuje wytrzymałość w podwyższonych temperaturach i jest używany do produkcji łopatek turbin, cylindrów wysokociśnieniowych i rur przegrzewaczy. Nikiel jest doskonałym pierwiastkiem stopowym, ale jest bardzo drogi i rzadki. Próbują używać go w połączeniu z chromem i manganem. Nikiel zwiększa wytrzymałość, wiązkość i twardość (po hartowaniu) stali, nieznacznie zmniejszając ciągliwość oraz znacznie zwiększając hartowność i odporność na korozję. Po hartowaniu i niskim odpuszczaniu stal niklowa ma wysoką twardość, ale nie ma kruchości. Nisko i średniostopowa stal niklowa jest stosowana w przemyśle motoryzacyjnym i krytycznym przemyśle inżynieryjnym. Stal wysokostopowa niklowa ma specjalne właściwości. Przy zawartości krzemu powyżej 0,8% zwiększa się wytrzymałość, elastyczność i twardość stali, zmniejszając jej ciągliwość. Stal krzemowa niskowęglowa stosowana jest do budowy mostów i nie jest poddawana obróbce cieplnej. Stal 55C2, 6°C2 jest używana do produkcji sprężyn i sprężyn. Po hartowaniu i odpuszczaniu stal ta ma wysoką wytrzymałość na rozciąganie i elastyczność. Mangan zwiększa twardość i wytrzymałość stali, zwiększa jej hartowność oraz poprawia spawalność. Stal stopowa manganowa nazywana jest stalą, która zawiera co najmniej 1% Mn. W praktyce stosuje się nisko i wysokostopową stal manganową. Szeroko rozpowszechniła się stal wysokostopowa G13, która charakteryzuje się bardzo wysoką lepkością i odpornością na ścieranie udarowe: stosuje się ją do produkcji rozjazdów i rozjazdów kolejowych, wizjerów pogłębiarek. Stal narzędziowa stopowa. Do każdego rodzaju narzędzia konieczne jest użycie stali najbardziej odpowiedniej pod względem jakości do danych warunków pracy. Stal niskostopowa na narzędzia skrawające nie odbiega pod względem skrawalności od stali węglowej i jest stosowana przy niskich prędkościach skrawania. Popularne gatunki stali niskostopowej na narzędzia skrawające to: 1) gatunek stali X - chrom (do produkcji frezów, wierteł); 2) gatunek stali 9XC - chromowo-krzemowy (do produkcji frezów, wierteł); 3) gatunek stali B1 - wolfram (do produkcji wierteł krętych, rozwiertaków). 42. Stale nierdzewne, żaroodporne i żaroodporne, żaroodporne, elektryczne i odporne na zużycie Odporność na korozję stali wzrasta, gdy zawartość węgla zostaje zmniejszona do minimalnej możliwej ilości i wprowadzany jest pierwiastek stopowy, który tworzy stałe roztwory z żelazem w takiej ilości, że wzrasta potencjał elektrody stopu. Stal odporna na korozję atmosferyczną nazywana jest stalą nierdzewną. Stal lub stop, który ma wysoką odporność na korozję powodowaną przez kwasy, sole, zasady i inne agresywne media, nazywa się kwasoodporną. Korozja to niszczenie metali w wyniku oddziaływania ich elektrochemicznego oddziaływania z otoczeniem. Materiały konstrukcyjne mają wysoką odporność na korozję. Stale węglowe i niskostopowe są odporne na korozję w atmosferze, wodzie i innych mediach. Odporne na korozję są metale i stopy, które są w stanie oprzeć się korozyjnemu wpływowi środowiska. Chrom jest głównym pierwiastkiem stopowym, który sprawia, że stal jest odporna na korozję w środowiskach utleniających. Odporność cieplna to zdolność metali i stopów do przeciwstawiania się korozyjnemu działaniu gazów w wysokich temperaturach. Korozyjne działanie gazów prowadzi do utleniania stali w wysokich temperaturach. Na intensywność utleniania wpływa skład i struktura filmu tlenkowego. Jeśli folia jest porowata, utlenianie zachodzi intensywnie, jeśli jest gęste, zwalnia lub całkowicie się zatrzymuje. Aby uzyskać gęsty film tlenkowy, który zapobiega wnikaniu tlenu w głąb stali, jest on stapiany z chromem, krzemem lub aluminium. Im więcej pierwiastka stopowego w stali, tym wyższa jest jej odporność na ciepło. Wytrzymałość cieplna. W przypadku materiału narzędziowego określa go najwyższa temperatura, w której zachowuje on swoje właściwości skrawania. Wytrzymałość cieplna użytych materiałów narzędziowych waha się od 200 do 1500 °C. W zależności od stopnia spadku wytrzymałości cieplnej materiały są ułożone w następującej kolejności: supertwarde, ceramika skrawająca, stopy twarde, szybkotnące, stopowe, węglowe stale. Nawet przy długotrwałym działaniu temperatur, wysokie właściwości żaroodporne muszą pozostać na tym samym poziomie. Metal gorących matryc musi zapewniać stabilną odporność na odpuszczanie. Odporność na ciepło to zdolność stali do wytrzymania naprężeń mechanicznych w wysokich temperaturach. Stale i stopy żaroodporne to takie, które mogą pracować pod obciążeniem w wysokich temperaturach przez długi czas. Stale żaroodporne są zwykle jednocześnie żaroodporne. Pełzanie to odkształcenie, które nasila się pod wpływem długotrwałego działania stałego obciążenia i wysokiej temperatury. W przypadku stali konstrukcyjnych węglowych i stopowych pełzanie występuje w temperaturach powyżej 350 °C. Pełzanie charakteryzuje się granicą pełzania, rozumianą jako naprężenie, które powoduje, że stal odkształca się o określoną wartość w określonym czasie w danej temperaturze. Stopy żaroodporne. Rozwój żaroodpornych stopów niklu rozpoczął się od niewielkich dodatków tytanu i aluminium do zwykłego nichromu. Dodatek mniej niż 2% tytanu i aluminium bez obróbki cieplnej znacząco zwiększa odporność na pełzanie nichromu w temperaturach około 700°C. Stopy niklu żaroodpornego dzielą się na stopy do obróbki plastycznej i odlewane. Właściwości żaroodporne stopów do obróbki plastycznej kształtują się podczas obróbki cieplnej. Odlewane wysokotemperaturowe stopy niklu mają podobny skład do stopów przerabianych plastycznie, ale zazwyczaj zawierają większą ilość aluminium i tytanu. Odporność na zimno - zdolność metalu do opierania się deformacji i zniszczeniu, które mogą wystąpić pod wpływem niskich temperatur. Stal elektryczna to cienka blacha ze stali miękkiej. Z niego wykonane są rdzenie urządzeń elektrycznych. Ta stal zawiera krzem. Wyróżnia się stal elektrotechniczną zimnowalcowaną i gorącowalcowaną, a także stal prądnicową i transformatorową. Do stopowania stali elektrotechnicznej stosuje się 0,5% Al. Stal odporna na ścieranie. Na części pracujące w warunkach zużycia ściernego, wysokich ciśnień i uderzeń (tory pojazdów gąsienicowych, szczęki kruszarek, zwrotnice torów kolejowych i tramwajowych) stosuje się staliwo wysokomanganowe 110G13L o strukturze austenitycznej zawierające 0,9% C i 11,5% Mn używany. W stanie odlanym konstrukcja stalowa składa się z austenitu i węglików typu (Fe,Mn)3C, które wytrącają się wzdłuż granic ziaren austenitu, a ich wytrzymałość i udarność są znacznie zmniejszone, przez co części odlewane poddaje się hartowaniu grzanie do 1100°C i chłodzenie w wodzie. W tej temperaturze węgliki rozpuszczają się w austenicie i stal nabiera bardziej stabilnej struktury austenitycznej. W warunkach zużycia udarowego i ściernego w warstwie wierzchniej stali powstają defekty struktury krystalicznej (przemieszczenia, wady ułożenia), co prowadzi do utwardzenia powierzchni. Wzrost twardości i odporności na zużycie w wyniku umocnienia przez zgniot jest możliwy przy obciążeniach udarowych i odkształceniu plastycznym na zimno. Ze względu na hartowanie stal 110G13L jest słabo obrabiana skrawaniem, dlatego wskazane jest wytwarzanie części lub produktów z tej stali metodą odlewania bez późniejszej obróbki. Litera L na końcu marki tej stali oznacza „odlew”. 43. Znakowanie, struktura, właściwości i zastosowania metali nieżelaznych i ich stopów Do metali nieżelaznych należą miedź, aluminium, magnez, tytan, ołów, cynk i cyna, które mają cenne właściwości i są wykorzystywane w przemyśle pomimo stosunkowo wysokich kosztów. Czasami, jeśli to możliwe, metale nieżelazne są zastępowane metalami żelaznymi lub materiałami niemetalicznymi (takimi jak tworzywa sztuczne). Wyróżnia się następujące grupy metali i stopów nieżelaznych: metale i stopy lekkie (o gęstości 3.0 g/cm3); stopy miedzi i specjalne stopy metali nieżelaznych - miedzionikiel, srebro, stopy szlachetne itp. W zastosowaniach przemysłowych miedź zajmuje jedno z pierwszych miejsc wśród metali nieżelaznych. Właściwości miedzi to wysoka ciągliwość, przewodność elektryczna, przewodność cieplna, zwiększona odporność na korozję. Miedź wykorzystywana jest w elektrotechnice, do produkcji kabli i przewodów do przesyłu energii elektrycznej oraz służy jako podstawa do produkcji różnych stopów szeroko stosowanych w inżynierii mechanicznej. Aluminium to lekki metal o wysokiej ciągliwości, dobrej przewodności elektrycznej i odporności na korozję. Stosowany jest do produkcji przewodów elektrycznych, naczyń oraz do zabezpieczania innych metali i stopów przed utlenianiem poprzez nakładanie powłok. Czyste aluminium jest rzadko stosowane w budowie maszyn, ponieważ ma niskie właściwości mechaniczne. Aluminium jest podstawą do produkcji wielu stopów szeroko stosowanych w budowie samolotów, samochodów i wagonów oraz w produkcji instrumentów. Stopy aluminium mogą być odkształcane (utwardzane przez obróbkę cieplną i nieutwardzane) i odlewane. Duraluminium jest najpopularniejszym stopem, który stosuje się w postaci odkształconej i wzmacniany poprzez obróbkę cieplną. Magnez jest najpowszechniejszym metalem i ma srebrzystobiały kolor. Wielką zaletą magnezu jest to, że jest bardzo lekkim metalem. Główną wadą jest niska odporność na korozję. Czysty magnez nie znalazł dystrybucji w technologii, ale jest używany jako podstawa do produkcji stopów lekkich. Ustalono następujące gatunki metali nieżelaznych (GOST): aluminium - AB1, AB2, AOO, AO, A1, A2 i A3; miedź - MO, M1, M2, ME, M4; cyna - 01, 02, OE i 04; ołów - CB, CO, C1, C2, C3, C4; cynk - TsV, TsO, Ts1, Ts2, Ts3, Ts4; magnez - Mg1, Mg2. Mosiądz. W porównaniu z czystą miedzią mosiądz ma większą wytrzymałość, ciągliwość i twardość, jest bardziej płynny i odporny na korozję. Oprócz zwykłego mosiądzu stosuje się mosiądze specjalne z dodatkami żelaza, manganu, niklu, cyny i krzemu. Ilość składników stopowych w mosiądzu specjalnym nie przekracza 7-8%. Mosiądze specjalne mają ulepszone właściwości mechaniczne; niektóre z nich nie są gorsze pod względem wytrzymałości niż stal średniowęglowa. Według GOST mosiądz jest oznaczony literą L i liczbą wskazującą ilość miedzi w stopie. Oznaczenie składników stopowych jest następujące: F - żelazo; N - nikiel; O - cyna; K - krzem; C - ołów. Ilość składnika stopowego jest podana liczbowo. Mosiądze są odlewane (stosowane do odlewania kształtowego) i poddawane obróbce ciśnieniowej. Mosiądz służy do produkcji blach, drutu, tulei, kształtek tłoczonych, przyborów. Brązy to: cyna, aluminium, krzem, nikiel. Brązy cynowe mają wysoką odporność na korozję, dobrą płynność i ulepszone właściwości przeciwcierne. Wykonane są z nich odlewy. Proste brązy cynowe są rzadko stosowane, ponieważ wprowadzenie dodatkowych pierwiastków (cynk, ołów, nikiel) pozwala uzyskać lepsze właściwości przy mniejszej zawartości cyny rzadkiej. Według GOST brązy cynowe są oznaczone literami BrO i liczbą wskazującą na zawartość cyny; kolejne litery i cyfry wskazują na obecność i ilość dodatkowych elementów w brązie. Do oznaczenia dodatkowych elementów używa się tych samych liter, co przy oznaczeniu mosiądzu specjalnego; cynk jest oznaczony literą C, a fosfor literą F. Cyna jest drogim metalem i jest rzadko stosowana w praktyce. Zamiennikami brązu cynowego są brązy aluminiowe, krzemowe, manganowe i inne. Stosowany jest brąz aluminiowy o zawartości do 11% A1. Pod względem struktury brąz jest głównie (do 9,7% Al) jednofazowy i jest stałym roztworem aluminium w miedzi. Pod względem właściwości mechanicznych brąz aluminiowy jest lepszy od brązu cynowego, ma ciągliwość, odporność na korozję i odporność na zużycie. Wadą jest duży skurcz po ochłodzeniu ze stanu ciekłego, a także łatwe tworzenie się tlenków glinu w ciekłym brązie, co pogarsza jego płynność. Dodatkowe pierwiastki (żelazo, mangan) zwiększają jego właściwości mechaniczne. Brąz krzemowy należy do stopów jednorodnych – roztworów stałych, posiada wysokie właściwości mechaniczne i odlewnicze. Zastępuje brąz cynowy. Aby poprawić właściwości, do brązów krzemowych wprowadza się mangan i nikiel. 44. Aluminium; wpływ zanieczyszczeń na właściwości aluminium; kute i odlewane stopy aluminium Aluminium wyróżnia się niską gęstością, wysoką przewodnością cieplną i elektryczną, dobrą odpornością na korozję w wielu środowiskach dzięki tworzeniu się gęstej warstwy tlenku glinu na powierzchni metalu.203. Technicznie wyżarzone aluminium ADM jest utwardzane przez odkształcenie plastyczne na zimno. Aluminium jest bardzo ciągliwe i łatwo poddaje się obróbce pod ciśnieniem, jednak przy cięciu pojawiają się komplikacje, których jedną z przyczyn jest przywieranie metalu do narzędzia. W zależności od tego, jakie zanieczyszczenia występują w aluminium, obserwuje się zmiany jego właściwości korozyjnych, fizycznych, mechanicznych i technologicznych. Większość zanieczyszczeń niekorzystnie wpływa na przewodność elektryczną aluminium. Najczęstsze zanieczyszczenia to żelazo, krzem. Żelazo wraz z przewodnością elektryczną zmniejsza ciągliwość i odporność na korozję oraz zwiększa właściwości wytrzymałościowe aluminium. Obecność żelaza w stopach aluminium z krzemem i magnezem niekorzystnie wpływa na właściwości stopu. Tylko w tych stopach aluminium, w których występuje nikiel, żelazo jest uważane za użyteczne zanieczyszczenie. Najczęstszym zanieczyszczeniem w stopach aluminium jest krzem. Metal ten, podobnie jak miedź, magnez, cynk, mangan, nikiel i chrom, wprowadza się do stopów aluminium jako główne składniki. Związki CuAl2Mg2Si, CuMgAl2- skutecznie wzmacniają stopy aluminium. Podstawowe pierwiastki stopowe w stopach aluminium. Mangan poprawia odporność na korozję. Krzem jest głównym pierwiastkiem stopowym w wielu odlewanych stopach aluminium (siluminach), ponieważ bierze udział w tworzeniu eutektyków. Ni, Ti, Cr, Fe zwiększają odporność cieplną stopów poprzez hamowanie procesów dyfuzyjnych i tworzenie stabilnych kompleksowych faz wzmacniających. Lit zawarty w stopach przyczynia się do zwiększenia ich modułu sprężystości. Jednocześnie magnez i mangan zmniejszają przewodność cieplną i elektryczną aluminium, a żelazo zmniejsza jego odporność na korozję. Znakowanie stopów aluminium. Obecnie używane są jednocześnie dwa oznaczenia stopów: stary alfanumeryczny i nowy cyfrowy. Wraz z tym następuje alfanumeryczne oznaczenie technologicznej obróbki półproduktów i wyrobów, które jakościowo odzwierciedla właściwości mechaniczne, chemiczne i inne stopu. Klasyfikacja stopów aluminium. Stopy aluminium dzielimy głównie na stopy aluminium przerabiane plastycznie i odlewane, ponieważ do produkcji stopów proszkowych i materiałów kompozytowych wykorzystuje się procesy odkształcania plastycznego i odlewania. Stopy aluminium dzielą się ze względu na ich zdolność do hartowania poprzez obróbkę cieplną na utwardzone i nieutwardzone. Mogą być poddawane homogenizacji, rekrystalizacji i wyżarzaniu zmiękczającemu. Stopy systemu Al-Cu-Mg - duraluminium D1, D16, D18, D19 itp. - mają dobre połączenie wytrzymałości i plastyczności.Obróbka cieplna wzmacnia duraluminium i zwiększa jego spawalność poprzez zgrzewanie punktowe. Można je obrabiać w zadowalający sposób, ale po podgrzaniu są podatne na korozję międzykrystaliczną. Znaczący wzrost odporności korozyjnej stopów osiąga się poprzez nakładanie powłok. W lotnictwie duraluminium wykorzystuje się do produkcji łopat śmigieł (D1), elementów energetycznych konstrukcji lotniczych (D16, D19). Stopy wysokowytrzymałe układu Al-Zn-Mg-Cu (V93, V95, V96Ts) charakteryzują się wysokimi wartościami wytrzymałości na rozciąganie (do 700 MPa). Jednocześnie wystarczającą plastyczność, odporność na pękanie i korozję uzyskuje się poprzez stopniowe starzenie koagulacyjne (T2, T95), a także przez zastosowanie stopów o wysokiej (V95kch) i specjalnej (VXNUMXoch) czystości. Stop wysokomodułowy 1420, dzięki stopowaniu aluminium z litem i magnezem (układ Al-M-Li), ma zmniejszoną (o 11%) gęstość i jednocześnie podwyższony (o 4%) moduł sprężystości . Stopy kuźnicze AK6 i AK8 (system Al-M-Si-Cu) charakteryzują się wysoką plastycznością podczas obróbki na gorąco. Są dobrze spawane, dobrze obrobione, ale podatne na korozję pod wpływem naprężeń. Aby zapewnić odporność na korozję, części wykonane ze stopów AK6 i AK8 są anodowane lub pokrywane farbami i lakierami. Stopy kuźnicze są używane do wytwarzania kutych i tłoczonych części lotniczych, które pracują pod obciążeniem. Stopy te są zdolne do pracy w temperaturach kriogenicznych. Do produkcji części (tłoki, głowice cylindrów, tarcze) pracujących na podwyższone temperatury (do 1 ° C). Odporność na ciepło uzyskuje się przez stopowanie stopów niklem, żelazem i tytanem, które hamują procesy dyfuzyjne i tworzą złożone, drobno zdyspergowane fazy wzmacniające, odporne na koagulację po podgrzaniu. Stopy mają wysoką ciągliwość i podatność na obróbkę w stanie gorącym. Odlewane stopy aluminium. Główne wymagania stawiane stopom do odlewów kształtowych to połączenie dobrych właściwości odlewniczych (wysoka płynność, niski skurcz, niski pękanie na gorąco i porowatość) z optymalnymi właściwościami mechanicznymi i chemicznymi (odporność na korozję). Stopy eutektyczne mają najlepsze właściwości odlewnicze. 45. Miedź; wpływ zanieczyszczeń na właściwości miedzi. Mosiądz, brąz, stopy miedzi i niklu Miedź jest metalem czerwonym, w różowym pęknięciu, ma temperaturę topnienia 1083 °C. Sieć krystaliczna FCC z okresem wgłębień 0,31607. Gęstość miedzi wynosi 8,94 g/cm3. Miedź ma wysoką przewodność elektryczną i cieplną. Właściwa rezystancja elektryczna miedzi wynosi 0,0175 μOhm·m. Gatunki miedzi: M00 (99,99% Cu), MO (99,97% Cu), M1 (99,9% Cu), M2 (99,7% Cu), M3 (99,50% Cu). Zanieczyszczenia obecne w miedzi mają duży wpływ na jej właściwości. W zależności od charakteru oddziaływania zanieczyszczeń z miedzią można je podzielić na trzy grupy. 1. Zanieczyszczenia tworzące roztwory stałe z miedzią: Ni, Zn, Sb, Fe. P i inne Zanieczyszczenia te (zwłaszcza Sb) znacznie zmniejszają przewodność elektryczną i przewodność cieplną miedzi, dlatego do przewodów prądowych stosuje się miedź M0 i M1. Antymon utrudnia pracę na gorąco. 2. Zanieczyszczenia Pb, Bi i inne, praktycznie nierozpuszczalne w miedzi, tworzą w niej niskotopliwe eutektyki, które rozdzielając się wzdłuż granic ziaren, utrudniają obróbkę pod ciśnieniem. Przy zawartości 0,005% Bi miedź jest niszczona podczas obróbki na gorąco przez ciśnienie, przy wyższej zawartości bizmutu miedź staje się krucha na zimno; te zanieczyszczenia mają niewielki wpływ na przewodność elektryczną. 3. Zanieczyszczenia tlenu i siarki tworzące kruche związki chemiczne Cu z miedzią2O i Cu2S, które są częścią eutektyki. Jeśli tlen jest w roztworze, zmniejsza przewodność elektryczną, a siarka nie ma na nią wpływu. Siarka poprawia skrawalność miedzi przez cięcie, a tlen, jeśli jest obecny w miedzi, tworzy tlenek miedzi i powoduje „choroby wodorowe”. Kiedy miedź jest podgrzewana w atmosferze zawierającej wodór, dyfunduje w głąb miedzi. Jeśli w miedzi występują wtrącenia Cu2Aha, wtedy reagują z wodorem, w wyniku czego powstaje para wodna. Dwie główne grupy stopów miedzi: mosiądz – stopy miedzi i cynku; brązy to stopy miedzi z innymi pierwiastkami. Mosiądz to wieloskładnikowy stop na bazie miedzi, gdzie głównym składnikiem jest cynk. Mosiądze techniczne zawierają do 40-45% Zn. B-mosiądze jednofazowe, które łatwo odkształcają się w warunkach zimnych i gorących, to L96 (tompak), L80 (semi-tompak), L68, który ma najwyższą ciągliwość. Dwufazowe (α + β) - mosiądz, L59 i L60 są mniej ciągliwe w stanie zimnym i poddawane są obróbce ciśnieniowej na gorąco. Ze względu na technologię mosiądz dzieli się na dwie grupy: odkształconą i odlewniczą. Mosiądze odlewane są mało podatne na likwidację i posiadają właściwości przeciwcierne. Mosiądze kute mają wysokie właściwości korozyjne w warunkach atmosferycznych. Mosiądz przeznaczony do odlewania kształtowego zawiera dużą ilość specjalnych dodatków poprawiających ich właściwości odlewnicze. Brązy cynowe. Stopy bogate w cynę są bardzo kruche. Brązy cynowe są zwykle stapiane z Zn, Pe, P, Pb, Ni i innymi pierwiastkami. Cynk poprawia właściwości technologiczne brązu i obniża koszt brązu. Fosfor poprawia właściwości odlewnicze. Nikiel zwiększa właściwości mechaniczne, odporność na korozję i gęstość odlewów oraz zmniejsza segregację. Żelazo miele ziarno, ale pogarsza właściwości technologiczne brązów i odporność na korozję. Istnieją kute i odlewane brązy cynowe, które mają dobre właściwości odlewnicze. Brązy dwufazowe mają wysokie właściwości przeciwcierne. Służą do produkcji części przeciwciernych. Stopy niklu są szeroko stosowane w inżynierii mechanicznej. Nikiel nadaje miedzi zwiększoną odporność na korozję oraz poprawia jej właściwości mechaniczne i odlewnicze. Brązy zawierające tylko nikiel nie są używane ze względu na wysoki koszt niklu. Nikiel wprowadza się w połączeniu z innymi pierwiastkami. W przemyśle powszechne są stopy niklu, które noszą nazwy: miedzionikiel (stop miedzi o zawartości 18-20% niklu) - stosowany na tuleje, ma białą barwę i wysoką odporność na korozję; Constantan to stop miedzi z zawartością 39-41% niklu. Constantan ma wysoką rezystancję elektryczną i jest stosowany w postaci drutów i taśm do reostatów i elektrycznych przyrządów pomiarowych. Miedź i jej stopy są szeroko stosowane w elektrotechnice, elektronice, oprzyrządowaniu, odlewnictwie i budowie silników. Tak więc 50% wyprodukowanej miedzi jest zużywane przez przemysł elektryczny i elektroniczny. Zajmuje drugie miejsce (po aluminium) pod względem produkcji wśród metali nieżelaznych. Właściwości techniczne i technologiczne miedzi: wysoka przewodność elektryczna i cieplna, wystarczająca odporność na korozję, dobra urabialność ciśnieniem, spawalność wszystkimi rodzajami spawania, dobra lutowność, łatwość polerowania. Czysta miedź ma niską wytrzymałość i wysoką ciągliwość. Wady miedzi obejmują: - wysoka cena; - znaczna gęstość; - duży skurcz podczas odlewania; - gorąca kruchość; - złożoność cięcia. 46. Magnez i jego stopy Magnez jest metalem reaktywnym: warstewka tlenku MgO utworzona w powietrzu, ze względu na większą gęstość niż sam magnez, pęka i nie ma właściwości ochronnych; proszek magnezowy i wióry są wysoce łatwopalne; gorący i stopiony magnez eksploduje w kontakcie z wodą. Magnez i jego stopy są słabo odporne na korozję, mają niską płynność podczas odlewania i odkształcają się plastycznie tylko w podwyższonych temperaturach (225 °C lub więcej). To ostatnie wynika z faktu, że przesunięcie w heksagonalnej sieci magnezu w niskich temperaturach następuje tylko wzdłuż płaszczyzny podstawy (podstawa sześciokątnego graniastosłupa). Ogrzewanie do 200-300 °C prowadzi do pojawienia się dodatkowych płaszczyzn poślizgu i odpowiednio do wzrostu plastyczności. Niska ruchliwość dyfuzyjna atomów w stopach magnezu spowalnia w nich przemiany fazowe. Dlatego obróbka cieplna (wyżarzanie dyfuzyjne lub rekrystalizacyjne, utwardzanie, starzenie) wymaga długich ekspozycji (do 24h). Jednocześnie stopy magnezu charakteryzują się dużą wytrzymałością właściwą, dobrze absorbują drgania i nie wchodzą w interakcje z uranem. Są dobrze obrabiane przez cięcie i są zadowalająco spawane łukiem argonowym i kontaktowym spawalniczy. Głównymi pierwiastkami stopowymi w stopach magnezu są Mn, Al i Zn. Mangan zwiększa odporność na korozję i spawalność stopów magnezu. Aluminium i cynk mają duży wpływ na wytrzymałość i ciągliwość stopów magnezu: maksymalne wartości właściwości mechanicznych osiąga się, gdy do stopu wprowadza się 6-7% aluminium lub 4-6% cynku. Pierwiastki te (Al, Zn) tworzą z magnezem fazy utwardzające, które po schłodzeniu wraz ze starzeniem wytrącają się w postaci drobno zdyspergowanej. Cyrkon, tytan, metale ziem alkalicznych (Ca) i ziem rzadkich (Ce, 1a) oraz tor mielą ziarno, odtleniają stop i zwiększają jego odporność na ciepło. Zgodnie z technologią wytwarzania produktów stopy magnezu dzielą się na odlewnicze (oznaczenie „ML”) i kute („MA”). Stopy magnezu poddawane są różnego rodzaju obróbce cieplnej. Tak więc, aby wyeliminować segregację w stopach odlewniczych (rozpuszczenie nadmiaru faz uwalnianych podczas odlewania i wyrównanie składu chemicznego objętością ziarna), przeprowadza się wyżarzanie dyfuzyjne (homogenizacja) odlewów kształtowych i wlewków (400–490 °C, 10–24 h) . Utwardzanie usuwa się przez wyżarzanie rekrystalizacyjne w temperaturze 250-350”C, podczas którego anizotropia właściwości mechanicznych, która powstała podczas odkształcenia plastycznego, również maleje. Stopy magnezu, w zależności od składu, można utwardzać przez hartowanie (często z chłodzeniem w powietrzu) i późniejsze starzenie w temperaturze 150-200 ° C (tryb Tb). Wiele stopów hartuje się już w procesie chłodzenia odlewów lub odkuwek i można je natychmiast utwardzać poprzez sztuczne starzenie (z pominięciem hartowania). Jednak w większości przypadków ograniczają się one tylko do homogenizacji (hartowania) w temperaturze 380–540 °C (tryb T4), ponieważ późniejsze starzenie, zwiększające wytrzymałość o 20–35%, prowadzi do zmniejszenia ciągliwości stopów. Stopy odlewnicze. W odlewanych stopach magnezu wzrost właściwości mechanicznych uzyskuje się poprzez rozdrabnianie ziarna poprzez przegrzanie wytopu lub modyfikację go dodatkami kredy lub magnezytu. W tym przypadku w stopie tworzą się cząstki stałe, które stają się ośrodkami krystalizacji. Aby zapobiec zapłonowi stopów magnezu, topi się je w tyglach żelaznych pod warstwą topnika, a odlewanie odbywa się w parach dwutlenku siarki powstających podczas wprowadzania siarki do strumienia metalu. Podczas odlewania w formach piaskowych do mieszanki dodaje się specjalne dodatki (fluorki glinu), aby zmniejszyć utlenianie magnezu. Wśród odlewniczych stopów magnezu szerokie zastosowanie znajdują stopy ML5 i ML6, charakteryzujące się lepszymi właściwościami odlewniczymi i mechanicznymi. Można je wzmocnić albo poprzez homogenizację i utwardzanie na powietrzu (T4), albo przez dodatkowe starzenie (T6). stopy do obróbki plastycznej. Zdeformowany (prasowany) magnez ma wyższy zestaw właściwości mechanicznych niż magnez odlewany. Stopy do obróbki plastycznej produkowane są w postaci odkuwek, półwyrobów matryc, taśm gorącowalcowanych, prętów i profili. Zakresy temperatur procesów technologicznych obróbki ciśnieniowej stopów magnezu mieszczą się w granicach: tłoczenie w temperaturze 300-480 °C, walcowanie w temperaturze 440-225 °C oraz tłoczenie (w matrycach zamkniętych) w temperaturze 480-280 °C. Dobrą odporność na korozję, spawalność i ciągliwość technologiczną wyróżnia stop MA1, który należy do grupy stopów o niskiej wytrzymałości. Stop MA2-1 łączy w sobie optymalny zestaw właściwości mechanicznych i technologicznych (dobrze spawany, tłoczony), ale jest podatny na korozję pod wpływem naprężeń. Żaroodporny (do 250 °C) jest stopem systemu (Md-Zn-Zr) MA14. Stop jest utwardzany przez sztuczne starzenie (tryb T5) po sprasowaniu i schłodzeniu na powietrzu. Charakteryzuje się podwyższonymi właściwościami mechanicznymi, ale jest podatny na powstawanie pęknięć na gorąco podczas walcowania. Zastosowanie stopów magnezu. Stopy magnezu służą do produkcji obudów rakiet, pomp, przyrządów, zbiorników paliwa i tlenu, ram silników i obudów. I tak stopy ML5 i ML6 stosuje się do odlewania bębnów hamulcowych, kierownic, skrzyń biegów, ML10 - części urządzeń o wysokiej szczelności. Armatura, instalacje gazowe, olejowe oraz części spawane wykonane są ze stopów odkształcalnych MA1, części pod dużym obciążeniem ze stopów MA14. 47. Tytan i jego stopy Tytan i oparte na nim stopy charakteryzują się wysoką odpornością na korozję i wytrzymałością właściwą. Wady tytanu: jego aktywne oddziaływanie z gazami atmosferycznymi, tendencja do kruchości wodorowej. Azot, węgiel, tlen i wodór wzmacniają tytan, zmniejszają jego ciągliwość, odporność na korozję i spawalność. Tytan jest słabo przetwarzany przez cięcie, zadowalający pod ciśnieniem i spawany w atmosferze ochronnej. Odlewanie próżniowe, w tym przetapianie łukiem próżniowym za pomocą elektrody topliwej, stało się powszechne. Modyfikacje alotropowe tytanu: niskotemperaturowe i wysokotemperaturowe. Wyróżnia się dwie główne grupy pierwiastków stopowych w zależności od ich wpływu na temperaturę przemiany polimorficznej tytanu (882,5°C): b-stabilizatory (pierwiastki rozszerzające obszar istnienia fazy b i podwyższające temperaturę przemiany - A1 , Oa, C) i c-stabilizatory (elementy zawężające obszar b i obniżające temperaturę transformacji polimorficznej - V, Mo, Cr). Pierwiastki stopowe dzielą się na dwie główne grupy: pierwiastki o wysokiej (w granicach - nieograniczonej) i ograniczonej rozpuszczalności w tytanie. Pierwiastki o ograniczonej rozpuszczalności wraz z tytanem mogą tworzyć związki międzymetaliczne, krzemki i fazy śródmiąższowe. Pierwiastki stopowe wpływają na właściwości użytkowe tytanu (Fe, Al, Mn, Cr), zwiększają jego wytrzymałość, ale zmniejszają elastyczność i wytrzymałość; A1, Zr zwiększają odporność cieplną, a Mo, Zr, Ta zwiększają odporność na korozję. Klasyfikacja stopów tytanu. Struktura przemysłowych stopów tytanu to stałe rozwiązania pierwiastków stopowych w b- i b-modyfikacjach tytanu. Rodzaje obróbki cieplnej stopów tytanu. Wyżarzanie rekrystalizacyjne (proste) stopów formowanych na zimno (650-850 °C). Wyżarzanie izotermiczne (ogrzewanie do 780-980 °C, a następnie chłodzenie w piecu do 530-680 °C, utrzymywanie w tej temperaturze i chłodzenie na powietrzu), zapewniające wysoką ciągliwość i stabilność termiczną stopów. Wyżarzanie dwustopniowe (od izotermicznego różni się tym, że przejście z pierwszego etapu do drugiego odbywa się poprzez schłodzenie stopu w powietrzu, a następnie ponowne ogrzanie do temperatury drugiego etapu), co prowadzi do wzmocnienia stopu i spadek plastyczności z powodu częściowego występowania procesów hartowania i starzenia. Częściowe wyżarzanie w temperaturze 500-680 °C w celu zmniejszenia naprężeń szczątkowych powstających podczas obróbki. Hartująca obróbka cieplna. Większość stopów tytanu jest stopowana z aluminium, co zwiększa sztywność, wytrzymałość, żaroodporność i odporność cieplną materiału, a także zmniejsza jego gęstość. Stopy α-tytanu nie są utwardzane przez obróbkę cieplną; ich utwardzenie uzyskuje się poprzez stapianie w roztworze stałym i odkształcanie plastyczne. (α + β) - stopy tytanu charakteryzują się mieszaną strukturą i są utwardzane obróbką cieplną, polegającą na hartowaniu i starzeniu. Stopy pseudo-β-tytanowe charakteryzują się wysoką zawartością β-stabilizatorów i wynikającym z tego brakiem przemian martenzytycznych. Stopy charakteryzują się wysoką ciągliwością w stanie utwardzonym oraz wysoką wytrzymałością w stanie starzonym; są zadowalająco spawane przez spawanie łukiem argonowym. Odlewane stopy tytanu. W porównaniu ze stopami do obróbki plastycznej stopy odlewnicze mają niższą wytrzymałość, plastyczność i wytrzymałość, ale są tańsze. Złożoność odlewania stopów tytanu wynika z aktywnego oddziaływania tytanu z gazami i materiałami formierskimi. Stopy odlewnicze VT5L, VT14L i VTZ-1L zasadniczo pokrywają się składem z podobnymi stopami do obróbki plastycznej (jednocześnie stop VT14L zawiera dodatkowo żelazo i chrom). Stop VT5L ma wysokie właściwości technologiczne: jest plastyczny, nie ulega pękaniu podczas odlewania, dobrze się spawa. Odlewy kształtowe ze stopu VT5L pracują w temperaturach do 400 °C. Wadą stopu jest jego niska wytrzymałość (800 MPa). dwufazowy stop odlewniczy VT14L jest wyżarzany w temperaturze 850°C zamiast utwardzania cieplnego, co drastycznie zmniejsza plastyczność odlewów. Proszkowe stopy tytanu. Zastosowanie metod metalurgii proszków do produkcji stopów tytanu pozwala, przy takich samych właściwościach eksploatacyjnych jak materiał odlewany lub odkształcalny, osiągnąć nawet 50% redukcję kosztów i czasu wytwarzania wyrobów. Proszkowy stop tytanu VT6 uzyskany przez prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) ma takie same właściwości mechaniczne jak stop do obróbki plastycznej po wyżarzaniu. W porównaniu z utwardzonym i starzonym stopem do przeróbki plastycznej VT6, stop proszkowy ma gorszą wytrzymałość, ale lepszą plastyczność. Zastosowanie stopów tytanu: poszycie samolotów, statków, okrętów podwodnych; pociski pocisków i silników; tarcze i łopatki turbin stacjonarnych i sprężarek silników lotniczych; śmigła; butle do gazów skroplonych; pojemniki do agresywnych środowisk chemicznych itp. 48. Rodzaje materiałów kompozytowych. Struktura, właściwości, zastosowania Materiały kompozytowe składają się z dwóch składników połączonych na różne sposoby w monolit przy zachowaniu ich indywidualnych cech. Cechy materiału: - skład, kształt i rozmieszczenie składników są z góry określone; - składają się z dwóch składników i bardziej różniących się składem chemicznym, oddzielonych granicą; - ma właściwości, które różnią się od właściwości składników wziętych oddzielnie; - jednorodne w makroskali i niejednorodne w mikroskali; - nie występuje w naturze, wytworzony przez człowieka. Składniki materiału różnią się geometrycznie. Matryca to element, który ma ciągłość w całej swojej objętości. Wypełniacz jest składnikiem nieciągłym, wzmacniającym. W materiałach kompozytowych jako osnowy stosuje się metale i ich stopy, polimery organiczne i nieorganiczne oraz materiały ceramiczne. Właściwości zależą od właściwości fizykochemicznych składników i siły wiązania między nimi. Do materiału kompozytowego dobierane są komponenty o różniących się od siebie właściwościach. Takie materiały mają wysoką sztywność właściwą i wytrzymałość właściwą. Powszechnie stosowane materiały kompozytowe z wypełniaczami o zerowych wymiarach to metalowa osnowa wykonana z metalu lub stopu. Materiały kompozytowe o równomiernym rozkładzie cząstek utwardzacza wyróżniają się właściwościami izotropowymi. Kompozycje wzmocnione rozproszonymi cząstkami otrzymuje się metodami metalurgii proszków. Materiały kompozytowe z osnową aluminiową na bazie aluminium są wzmocnione cząsteczkami A1203, otrzymywanymi przez sprasowanie proszku aluminiowego z późniejszym spiekaniem (SAP). Stopy SAP odkształcają się zadowalająco w stanie gorącym, a stopy SAP-1 odkształcają się również w stanie zimnym. SAP można łatwo obrabiać poprzez cięcie i można go zadowalająco spawać łukiem argonowym i zgrzewaniem oporowym. SAP produkuje półprodukty w postaci arkuszy, profili, rur i folii. Materiały kompozytowe z osnową niklową. Składnik utwardzający to toksyczne cząsteczki dwutlenku toru (TI02) lub dwutlenku hafnu (Hf02). Materiały te są odpowiednio oznaczone jako VDU-1 i VDU-2. Materiały kompozytowe VDU-1 i VDU-2 są plastyczne, odkształcane w szerokim zakresie temperatur różnymi metodami (kucie, tłoczenie, spęczanie, głębokie tłoczenie). Do łączenia części wykonanych ze stopów typu VDU stosuje się lutowanie wysokotemperaturowe lub zgrzewanie dyfuzyjne, aby zapobiec stopieniu. Stopy VDU-2 są stosowane w budowie silników lotniczych. Materiały kompozytowe z jednowymiarowymi wypełniaczami wzmacniane są jednowymiarowymi elementami w postaci wąsów, włókien (drutów). Włókna są utrzymywane razem przez matrycę w pojedynczy monolit. Matryca służy do ochrony włókna wzmacniającego przed uszkodzeniem, jest medium przenoszącym obciążenie na włókna i redystrybuującym naprężenia w przypadku zerwania poszczególnych włókien. Materiały kompozytowe na osnowie niklowej Żaroodporne stopy niklu poddawane są zbrojeniu w celu wydłużenia czasu i temperatury pracy do 1100-1200 °C. Do wzmacniania stopów niklu stosuje się utwardzacze: wiskery, druty z metali i stopów ogniotrwałych, włókna węglowe i węglik krzemu. Kompozytowe materiały eutektyczne - stopy o składzie eutektycznym. W nich fazą wzmacniającą są kryształy zorientowane, które powstają podczas krystalizacji kierunkowej. Metody krystalizacji ukierunkowanej wytwarzają materiały kompozytowe na bazie Al, Md, Cu, Co, Tc Materiały kompozytowe eutektyczne na bazie aluminium Metodą krystalizacji kierunkowej otrzymuje się kompozycje Al-A^M i Al-CuAl1. Kompozycja charakteryzuje się wysoką stabilnością strukturalną do temperatur topnienia. Kompozyty eutektyczne na bazie niklu są materiałami żaroodpornymi stosowanymi w technologii rakietowej i kosmicznej. Kompozycje lamelarne zawierające udział objętościowy fazy utwardzającej powyżej 33-35% są kruche. Kompozycje tworzyw sztucznych obejmują kompozycje na bazie niklu o udziale objętościowym włókien 3-15% z węglików tantalu, niobu i hafnu. Materiały kompozytowe na bazie niemetalicznej. Jako matrycę stosuje się utwardzone żywice epoksydowe, poliestrowe, fenolowe. Kompozyty wzmocnione tym samym rodzajem włókien nazywane są włóknem wzmacniającym. Kompozycja zawierająca wypełniacz w postaci długich włókien szklanych ułożonych w zorientowane pojedyncze pasma nazywana jest zorientowanym włóknem szklanym. Wypełniaczem nieorientowanych włókien szklanych jest włókno krótkie. Jeśli wzmocnieniem jest włókno szklane, materiał nazywa się włóknem szklanym. Materiał kompozytowy zawierający włókno węglowe nazywa się włóknem węglowym, włókno borowe nazywa się włóknem borowym, a włókno organiczne nazywa się organolokitem. Zalety materiałów kompozytowych z osnową polimerową: wysoka wytrzymałość właściwa i właściwości elastyczne; odporność na agresywne środowiska; dobre właściwości przeciwcierne i cierne, a także wysokie właściwości osłony termicznej i amortyzacji. 49. Skład chemiczny, metody otrzymywania proszków, właściwości i metody ich kontroli Materiały proszkowe - materiały otrzymywane przez prasowanie proszków metali na produkty o wymaganym kształcie i wielkości, a następnie spiekanie wyprasek w próżni lub atmosferze ochronnej. Stopy proszkowe przeciwcierne mają niski współczynnik tarcia, są łatwe w obróbce i mają dobrą odporność na zużycie. Stopy oparte na materiałach nieżelaznych są stosowane w produkcji instrumentów i inżynierii elektronicznej. Materiały proszkowe są używane do produkcji części, które mają prosty symetryczny kształt, niewielką masę i rozmiar. Metalurgia proszków to dziedzina technologii zajmująca się wytwarzaniem proszków metali i części z nich. Proszek metalowy jest prasowany na półwyroby, które poddawane są obróbce cieplnej – spiekaniu. Proszki metali to: żelazo, miedź, nikiel, chrom, kobalt, wolfram, molibden, tytan. Istnieją dwie metody wytwarzania proszków: mechaniczna i fizykochemiczna. Najczęściej stosowana jest metoda mechanicznego rozdrabniania wsadu (wióry, ścinki). Do mielenia używane są młyny mechaniczne. Szlifowanie mechaniczne ma swoje wady. Należą do nich wysoki koszt proszków, na który składa się koszt wytworzenia oryginalnych odlewów i stopów, oraz stosunkowo niska wydajność procesu. Fizykochemiczne metody otrzymywania proszków: redukcja tlenków, wytrącanie proszku metalu z wodnego roztworu soli. Produkcja proszku wiąże się ze zmianą składu chemicznego surowca. Fizykochemiczne metody otrzymywania proszków są bardziej wszechstronne niż mechaniczne. Ze względu na zastosowanie tanich surowców metody fizykochemiczne są ekonomiczne. Skład chemiczny proszków zależy od zawartości metalu nieszlachetnego lub składnika oraz zanieczyszczeń. Właściwości fizyczne proszków determinowane są wielkością i kształtem cząstek, mikrotwardością, gęstością oraz tworzeniem sieci krystalicznej. Właściwości technologiczne charakteryzują się płynnością, ściśliwością i zbrylaniem proszku. Płynność - zdolność proszku do wypełniania formy. Płynność ma ogromne znaczenie w prasie automatycznej, gdzie na wydajność prasy wpływa prędkość napełniania formy. Niska płynność wpływa na niejednorodność gęstości detali. Ściśliwość odnosi się do zdolności proszku do zagęszczania się pod wpływem obciążenia zewnętrznego oraz siły adhezji cząstek w wyniku prasowania. Na ściśliwość proszku wpływa plastyczność materiału cząstek, ich wielkość i kształt. Zwiększa się wraz z wprowadzeniem do składu proszku surfaktantów. Materiały konstrukcyjne, które są używane do produkcji półfabrykatów i gotowych części, pozyskiwane są metodami metalurgii proszków. Materiały kompozytowe o specjalnych właściwościach fizycznych, mechanicznych i użytkowych znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle. Do produkcji łożysk ślizgowych stosowane są przeciwcierne materiały cermetalowe. W materiałach przeciwciernych twardym elementem jest podstawa metalowa, a miękkim składnikiem pory wypełnione olejem lub tworzywem sztucznym. Materiały kompozytowe cierne to złożone kompozycje na bazie miedzi lub żelaza. Grafit lub ołów pomagają zmniejszyć zużycie kompozycji. Materiały cierne stosowane są jako elementy bimetaliczne, składające się z warstwy ciernej, która jest spiekana pod naciskiem z podłożem (dyskiem). Do produkcji filtrów wykorzystywane są materiały o dużej porowatości. Filtry mogą być wykonane z proszków stali odpornej na korozję, aluminium, tytanu. Wysoce porowate materiały metalowe są wytwarzane przez spiekanie proszków bez wstępnego prasowania. Aby uwolnić gazy podczas procesu spiekania, do proszków dodawane są specjalne substancje. Twarde stopy metalowo-ceramiczne mają wysoką twardość, odporność na ciepło i odporność na zużycie. Wykorzystywane są do produkcji narzędzi skrawających i wiertniczych, a także nakładane na powierzchnię części zużywających się. Metalurgia proszków produkuje materiały diamentowo-metalowe. Jako spoiwo stosuje się proszki metali (miedź, nikiel). We współczesnej technologii materiałów kompozytowych szeroko stosowane są materiały włókniste. Do ich produkcji wykorzystuje się druty z wolframu, molibdenu, boru i grafitu, w zależności od wymaganych właściwości tworzonego materiału. Metalurgia włókien jest gałęzią metalurgii proszków specjalizującą się w rozwiązywaniu problemów badań i wytwarzania materiałów włóknistych. Proces przygotowania mieszanki obejmuje wstępne wyżarzanie, sortowanie proszku według wielkości cząstek (przesiewanie) oraz mieszanie. 50. Formowanie i spiekanie proszków, obszary zastosowań Zbrylanie to siła adhezji cząstek w wyniku obróbki cieplnej prasowanych półfabrykatów. Przygotowane proszki miesza się w młynach kulowych i bębnowych. Półfabrykaty z proszków metali formowane są przez prasowanie (na zimno, gorąco, hydrostatycznie) i walcowanie. W zależności od wielkości i stopnia skomplikowania prasowanych półfabrykatów stosuje się prasowanie jedno- i dwustronne. Jednostronnie odbieramy półfabrykaty o prostym kształcie oraz półfabrykaty typu tuleje. Poprzez dwustronne prasowanie odbywa się formowanie detali o skomplikowanym kształcie. Podczas prasowania na gorąco procesy kształtowania i spiekania przedmiotu są łączone technologicznie. W wyniku prasowania na gorąco otrzymuje się materiały charakteryzujące się dużą wytrzymałością, gęstością i jednolitością struktury. Grafit to najlepszy materiał do wykonywania form. Prasowanie hydrostatyczne służy do otrzymywania półfabrykatów cermetalowych. Jako płyn roboczy stosuje się olej, wodę, glicerynę. Wytłaczanie produkuje pręty, rury i profile o różnych przekrojach. Profil produkowanej części zależy od kształtu kalibrowanego otworu formy. Jako wyposażenie stosowane są prasy mechaniczne i hydrauliczne. Walcowanie jest jedną z najbardziej produktywnych i obiecujących metod stosowanych do przetwarzania materiałów proszkowych. W niektórych przypadkach proces walcowania łączy się ze spiekaniem i końcową obróbką powstałych detali. Spiekanie odbywa się w celu zwiększenia wytrzymałości otrzymanych wcześniej detali poprzez prasowanie lub walcowanie. W prasowanych elementach poszczególne cząstki mają niewielki udział w kontakcie, dlatego spiekaniu towarzyszy wzrost kontaktu między poszczególnymi cząstkami proszku. W zależności od czasu i temperatury spiekania następuje wzrost wytrzymałości i gęstości w wyniku aktywacji formowania się powierzchni stykowych. Przekroczenie parametrów technologicznych może prowadzić do spadku wytrzymałości w wyniku wzrostu ziaren krystalizacyjnych. Na atmosferę spiekania nakładane są wymagania - nieutleniające warunki dla ogrzewania kęsów. Półfabrykaty po procesie spiekania poddawane są dodatkowej obróbce w celu polepszenia właściwości fizykomechanicznych, uzyskania ostatecznych wymiarów i kształtu, nałożenia powłok dekoracyjnych oraz zabezpieczenia powierzchni detalu przed korozją. Aby poprawić właściwości fizyczne i mechaniczne spieków, stosuje się wielokrotne prasowanie i spiekanie, impregnację smarami, obróbkę cieplną lub chemiczno-termiczną. Wielokrotne prasowanie i spiekanie daje części o większej gęstości. Materiały spiekane można kuć, walcować, tłoczyć w podwyższonych temperaturach. Obróbka ciśnieniowa zmniejsza porowatość materiałów i zwiększa ich plastyczność. Sproszkowane materiały metalowe to materiały spiekane wytwarzane metodą dozowania, formowania i spiekania proszków. Materiały te obejmują stopy twarde, kompozyty wzmacniane dyspersyjnie, materiały przeciwtarciowe i cierne, stale proszkowe, spiekane metale nieżelazne, porowate materiały metalowe. W celu otrzymania części spiekanych ze stali proszkowej stosuje się mieszaniny proszków żelaza i proszków stopowych, a także proszki stali węglowej i stopowej. Metody wytwarzania stali proszkowych: tłoczenie na zimno i spiekanie; podwójne tłoczenie i spiekanie; prasowanie na gorąco; tłoczenie na gorąco. Obróbka cieplna stali proszkowych odbywa się w specjalnych środowiskach ochronnych. Aby zapobiec procesowi utleniania, do chłodzenia stali stosuje się olej lub wodę. Stale proszkowe mają jeden charakterystyczny element konstrukcyjny – pory. Im większa porowatość materiału, tym niższa gęstość, wytrzymałość i udarność stali. Jednak wiele cech materiałów nie zależy monotonicznie od porowatości. Zatem odporność na pękanie i udarność sproszkowanego żelaza zmienia się niemonotonicznie w zależności od porowatości. Spiekane proszkowo materiały przeciwcierne przygotowane przy użyciu matryc miedzianych i stalowych są szeroko stosowane w nowoczesnej inżynierii mechanicznej. Do przygotowania trwalszych i wysokiej jakości materiałów stosuje się specjalne dodatki: fluorek wapnia, grafit, turbostratyczny azotek boru. W rezultacie po procesie spiekania powstaje porowata struktura. Kanały porów tej struktury mogą zatrzymywać cząsteczki oleju i inne płynne smary. Materiały o strukturze porowatej są najbardziej odpowiednie do zastąpienia stopów przeciwciernych z brązu i babbitu, które są dość drogie w użyciu. W metalurgii proszków wytwarza się ceramikę mineralną, którą otrzymuje się z żelaza, kobaltu i innych metali ogniotrwałych. Produkty berylu są również wytwarzane metodą metalurgii proszków. Proces produkcyjny: formowanie i spiekanie, odkształcanie plastyczne na gorąco. 51. Okulary nieorganiczne. Ceramika techniczna Szkło nieorganiczne - złożone chemicznie amorficzne materiały izotropowe, które mają właściwości kruchego ciała stałego. Okulary to: 1. Szablony do szkła - podstawa: a) Si02 - szkło silikatowe, jeśli SiO02 > 99%, to jest to szkło kwarcowe; b) AI2O3 + Si02 - szkło glinokrzemianowe; c) B203 + Si02 - szkło borokrzemowe; d) AI203 +B203 + Si02 - szkło glinoborokrzemianowe; 2. Modyfikatory wprowadza się w celu nadania szkłu określonych właściwości. Wprowadzenie tlenków metali ziem alkalicznych (grupa I, II: Na, K) obniża temperaturę mięknienia. Tlenki chromu, żelaza i wanadu nadają szkłu określone kolory. Tlenki ołowiu zwiększają współczynnik załamania światła. W zależności od ilości modyfikatorów szkło może być: alkaliczne z zawartością modyfikatora do 20-30%, bezalkaliczne - do 5% modyfikatorów, szkło kwarcowe - bez modyfikatorów; 3. Kompensatory, tłumią negatywny wpływ modyfikatorów. Okulary w samochodach, włókno szklane, optyka, niska przewodność cieplna, nierozpuszczalny w kwasach i zasadach. Właściwości szkła: Szkło charakteryzuje się dużą twardością i wytrzymałością na rozciąganie. Teoretycznie wytrzymałość na rozciąganie sięga 10-12 GPa. Moduł sprężystości E = 70 GPa. Twardość Vickersa HV ~ 750 kgf/mm2. Praktycznie maksymalna wytrzymałość wynosi 50-100 MPa. Niskie aB można wytłumaczyć następującymi czynnikami: wysokim współczynnikiem rozszerzalności liniowej. Gdy szkło stygnie, na jego powierzchni powstają naprężenia rozciągające, co prowadzi do pojawienia się pęknięć. Szkło jest dobrym izolatorem ciepła, co również prowadzi do powstawania pęknięć. Szkło nie wytrzymuje obciążeń dynamicznych. Metody hartowania szkła: 1) wytrawianie w celu usunięcia wadliwej warstwy wierzchniej. Wytrzymałość na rozciąganie wzrasta do 3000 MPa. Metoda nieefektywna, ponieważ w przyszłości szkło wchodzi w interakcję z cząstkami ściernymi lub materiałami stałymi; 2) tworzenie naprężeń ściskających na powierzchni. Aby to zrobić, przeprowadza się hartowanie, ogrzewanie prowadzi się do określonej temperatury, a następnie chłodzi się w danym trybie (temperatura ogrzewania, chłodzenie i czas utrzymywania). Wytrzymałość na rozciąganie wzrasta do 1000-1500 MPa; 3) nakładanie materiałów polimerowych na powierzchnię szkła. Spoiwo polimerowe skleja mikropęknięcia na powierzchni szkła. Szkło kwarcowe charakteryzuje się wysoką przepuszczalnością gazów (hel, wodór, neon) w porównaniu do innych szkieł krzemianowych, które oprócz dwutlenku krzemu zawierają tlenki metali alkalicznych i metali ziem alkalicznych. Istnieją dwa parametry, które łączą strukturę podwójnych szkieł fosforanowych ze strukturą podwójnych szkieł krzemianowych: podstawową jednostką strukturalną są tetraedryczne grupy pierwiastek-tlen; dodatek tlenków modyfikujących zwiększa liczbę niemostkujących atomów tlenu. Hartowanie i topienie szkła następuje stopniowo w pewnym zakresie temperatur. Dlatego nie ma określonej temperatury krzepnięcia ani topnienia. W procesie chłodzenia stop przechodzi ze stanu ciekłego do stanu plastycznego, a następnie do stanu stałego (proces zeszklenia). Szkła organiczne to polimery organiczne – poliakrylany, poliwęglany, polistyren, kopolimery chlorku winylu z metakrylanem metylu, które są w stanie szklistym. Największe praktyczne zastosowanie znalazły okulary na bazie polimetakrylanu metylu. Pod względem technologii, mechanizmu twardnienia i struktury szkła organiczne różnią się od szkieł nieorganicznych. Szkła elementarne mogą tworzyć niewielką liczbę pierwiastków - siarkę, selen, arsen, fosfor, węgiel. Szkła halogenkowe produkowane są na bazie składnika szkłotwórczego BeF2. Wieloskładnikowe kompozycje szkieł fluoroberylowych zawierają fluorki glinu, wapnia, magnezu, strontu i baru. Szkła fluoroberyllanowe są szeroko stosowane w praktyce ze względu na ich wysoką odporność na twarde promieniowanie, w tym promieniowanie rentgenowskie, oraz agresywne media, takie jak fluor i fluorowodór. Na znaczeniu przemysłowym zyskują metody otrzymywania szkieł przez odparowanie próżniowe, kondensację z fazy gazowej oraz natryskiwanie plazmowe. W takich przypadkach szkło można otrzymać z fazy gazowej z pominięciem stanu stopionego. Ceramika – materiał nieorganiczny otrzymywany w wyniku mas formierskich w procesie wypalania w wysokiej temperaturze. Ceramika tlenkowa ma wysoką wytrzymałość na ściskanie w porównaniu do wytrzymałości na rozciąganie lub zginanie. Struktury drobnoziarniste są trwalsze. Wraz ze wzrostem temperatury wytrzymałość ceramiki maleje. Ceramika z czystych tlenków nie podlega procesowi utleniania. Ceramika beztlenowa. Materiały są bardzo kruche. Odporność na utlenianie w wysokich temperaturach węglików i borków wynosi 900-1000 °C, dla azotków jest niższa. Krzemki wytrzymują temperatury 1300-1700 °C. W takich temperaturach na powierzchni tworzy się film krzemionkowy. 52. Polimery, tworzywa sztuczne Polimery to substancje, których makrocząsteczki składają się z wielu powtarzających się jednostek elementarnych reprezentujących tę samą grupę atomów. Masa cząsteczkowa cząsteczek waha się od 500 do 1000000 XNUMX XNUMX. W cząsteczkach polimeru wyróżnia się łańcuch główny, który zbudowany jest z dużej liczby atomów. Łańcuchy boczne są krótsze. Polimery, których główny łańcuch zawiera identyczne atomy, nazywane są homołańcuchami, a jeśli występują atomy węgla, nazywane są karbołańcuchami. Polimery, których główny łańcuch zawiera różne atomy, nazywane są heterołańcuchami. Makrocząsteczki polimerowe dzieli się ze względu na ich kształt na liniowe, rozgałęzione, płaskie, wstęgowe, przestrzenne lub siatkowate. Liniowe makrocząsteczki polimerowe to długie zygzakowate i spiralnie skręcone łańcuchy, które charakteryzują się elastycznością ograniczoną do sztywnych odcinków - segmentów składających się z kilku jednostek. Takie makrocząsteczki mają wysoką wytrzymałość wzdłuż głównego łańcucha, są słabo ze sobą połączone i zapewniają wysoką elastyczność materiału. Ogrzewanie powoduje zmiękczenie, a późniejsze ochłodzenie powoduje twardnienie polimeru (poliamid, polietylen). Rozgałęziona makrocząsteczka zawiera odgałęzienia boczne, co utrudnia zbliżanie się makrocząsteczek do siebie i zmniejsza oddziaływanie międzycząsteczkowe. Polimery o takim kształcie charakteryzują się zmniejszoną wytrzymałością, zwiększoną topliwością i kruchością. Usieciowane formy makrocząsteczek są charakterystyczne dla trwalszych, nierozpuszczalnych i nietopliwych polimerów, które są podatne na pęcznienie w rozpuszczalnikach i mięknienie po podgrzaniu. Makrocząsteczki polimerowe są elastyczne. Tworzywa sztuczne (tworzywa sztuczne) to materiały organiczne na bazie polimerów, które po podgrzaniu i pod ciśnieniem mogą mięknąć, przybierając stabilny kształt. Proste tworzywa sztuczne składają się z samych polimerów chemicznych. Do złożonych tworzyw sztucznych należą dodatki: wypełniacze, plastyfikatory, barwniki, utwardzacze, katalizatory. Wypełniacze są wprowadzane do tworzyw sztucznych w ilości 40-70% w celu zwiększenia twardości, wytrzymałości, sztywności i nadania specjalnych specyficznych właściwości. Wypełniaczami mogą być tkaniny i sypkie, włókniste substancje. Plastyfikatory (stearyna, kwas oleinowy) pomagają zwiększyć elastyczność, plastyczność i ułatwiają przetwarzanie tworzyw sztucznych. Utwardzacze (aminy) i katalizatory (związki nadtlenkowe) są dodawane do tworzyw sztucznych w celu utwardzenia. Barwniki (pigmenty mineralne, alkoholowe roztwory farb organicznych) nadają tworzywom określony kolor i obniżają ich koszt. Skład składników, ich kombinacja i stosunek ilościowy pozwalają na zmianę właściwości tworzyw sztucznych w szerokim zakresie. Tworzywa sztuczne są klasyfikowane według cech. Według rodzaju wypełniacza: z wypełniaczem stałym; z wypełniaczem gazowym. Zgodnie z reakcją spoiwa polimerowego na wielokrotne ogrzewanie. Tworzywa termoplastyczne na bazie polimeru termoplastycznego miękną po podgrzaniu i twardnieją po kolejnym schłodzeniu (czyste polimery lub kompozycje polimerowe z plastyfikatorami, przeciwutleniaczami). Tworzywa termoplastyczne charakteryzują się niskim skurczem 1-3%. Charakteryzują się niską kruchością, dużą elastycznością oraz zdolnością do orientacji. Tworzywa termoutwardzalne na bazie polimerów termoutwardzalnych (żywic) po obróbce cieplnej – utwardzaniu – wchodzą w stan termostabilny i są kruche, charakteryzują się dużym skurczem rzędu 10-15% oraz zawierają wypełniacze. Ze względu na zastosowanie są podzielone na grupy: strukturalne - dla części i konstrukcji energetycznych, dla części nieenergetycznych; uszczelki, uszczelnianie; tarcie i tarcie; izolujące elektrycznie, radioprzepuszczalne izolujące ciepło; odporny na ogień, oleje, kwasy; okładzinowe i dekoracyjne. Polietylen można stosować przez długi czas w temperaturze 60-100°C. Mrozoodporność sięga -70°C i poniżej. Odporny chemicznie i nierozpuszczalny w rozpuszczalnikach, służy do izolacji powłok ochronnych kabli drutowych, części instalacji wysokiej częstotliwości oraz do produkcji części odpornych na korozję - rur, uszczelek, węży. Produkowany jest w postaci folii, arkuszy, rur, bloków. Polietylen podlega starzeniu. Polistyren jest amorficznym, twardym, przezroczystym polimerem o liniowej budowie, wysokich właściwościach dielektrycznych, zadowalającej wytrzymałości mechanicznej, niskiej temperaturze pracy (do 100°C), odporności chemicznej na zasady, kwasy mineralne i organiczne oraz oleje. Pęcznieje w 65% kwasie azotowym i lodowatym, benzynie i nafcie. W temperaturach powyżej 200°C rozkłada się tworząc styren. Polistyren wykorzystuje się do produkcji lekko obciążonych części oraz izolatorów wysokich częstotliwości. Wady - kruchość w niskich temperaturach, tendencja do stopniowego powstawania pęknięć powierzchniowych. Tworzywa sztuczne są szeroko stosowane w budowie maszyn i przyrządach do produkcji części. Tworzywa sztuczne do celów elektrycznych są stosowane jako materiały elektroizolacyjne w konstrukcjach maszyn. Autor: Buslaeva E.M.
▪ Historia kultury światowej i krajowej. Notatki do wykładów
Otwarto najwyższe obserwatorium astronomiczne na świecie
04.05.2024 Sterowanie obiektami za pomocą prądów powietrza
04.05.2024 Psy rasowe chorują nie częściej niż psy rasowe
03.05.2024
▪ sekcja strony Narzędzia i mechanizmy dla rolnictwa. Wybór artykułu ▪ artykuł Styl to osoba. Popularne wyrażenie ▪ artykuł Babka lancetowata. Legendy, uprawa, metody aplikacji ▪ artykuł Zarządzaj programami za pomocą pilota. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki ▪ artykuł DIY śrubokręt. Encyklopedia elektroniki radiowej i elektrotechniki
Strona główna | biblioteka | Artykuły | Mapa stony | Recenzje witryn
www.diagram.com.ua |
Polecamy ciekawe artykuły Sekcja 
Zobacz inne artykuły Sekcja 
Najnowsze wiadomości o nauce i technologii, nowa elektronika:
Wszystkie języki tej strony