Metale i ich stopy. Podręcznik akademicki do nauki metaloznawstwa i inżynierii materiałowej. Prof. Leszek A. Dobrzański

Transkrypt

1 Metale i ich stopy Podręcznik akademicki do nauki metaloznawstwa i inżynierii materiałowej Prof. Leszek A. Dobrzański Gliwice, 2017

2 Metale i ich stopy Leszek A. Dobrzański 1 Centrum Badawczo-Projektowo-Produkcyjne Inżynierii Medycznej i Stomatologicznej ASKLEPIOS ul. Jana III Sobieskiego 12/ Gliwice Adres korespondencyjny leszek.adam@gmail.com Streszczenie Cel: Celem niniejszej książki jest przedstawienie informacji o współczenych materiałach metalowych, jako najpowszechniej stosowanej obecnie grupie materiałów inzynierskich, w tym stali, stopów metali nieżelaznych oraz materiałów specjalnych, w tym porowatych i szkieletowych, kompozytowych włącznie z nanokompozytowymi, w których wykorzystywane są metale nieżelazne oraz metalowych materiałów biomedycznych i stomatologicznych. W krótkim wprowadzeniu Od Autora przedstawiono, że książka adresowana jest do Studentów, Doktorantów oraz Pracowników naukowych i Inżynierów zatrudnionych w przemyśle. W pierwszym rozdziale przedstawiono podstawy kształtowania struktury i własności metali i ich stopów, w tym budowę materii, structurę krystaliczną metali, równowagę termodynamiczną układu, krystalizację i mechanizmy odkształcenia plastycznego, włącznie z intensywnym odkształceniem plastycznym, zdrowieniem i rekrystalizacją metali i stopów. W drugim rozdziale opisano rolę materiałów metalowych we współczesnej technice, przedstawiono ich klasyfikację oraz porównano podstawowe własności mechaniczne, technologicznye i eksploatacyjne metali z innymi materiałami inżynierskimi oraz opisano ekonomiczne uwarunkowania ich stosowania, wielkość produkcji i zużycie w skali globalnej. W kolejnych pięciu rozdziałach zaprezentowano stale i specjalne stopy żelaza, począwszy od układu równowagi fazowej żelazo-węgiel, poprzez nowoczesne metody metalurgiczne z procesem FINEX, obróbką pozapiecową oraz ciągłym odlewaniem, w tym cienkich taśm włącznie. Przedstawiono przemiany fazowe w stalach w stanie stałym oraz znaczenie węgla i dodatków stopowych. W dalszym ciągu przedstawiono stale konstrukcyjne,maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe, w tym m.in. stale na blachy i taśmy do zastosowań w przemyśle samochodowym, włącznie ze stalami austenitycznymi typu TWIP, TRIP i TRIPLEX o dużym zapasie energii odkształacenia plastycznego na zimno, a także stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące. Stale stosowane na narzędzia i na elementy łożysk tocznych opisano w dalszym ciągu, w tym m.in. stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno i na gorąco oraz stale szybkotnące, a także spiekane stale narzędziowe stopowe, włącznie z wytworzonymi metodami ASP, STAMP i MICROCLEAN oraz węglikostale spiekane. Bardzo obszernie omówiono stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach, w tym do pracy w podwyższonej, wysokiej i obniżonej temperaturze, stale odporne na korozję, w tym spiekane i stosowane w medycynie, odporne na ścieranie, niskowęglowe stale martenzytyczne utwardzane wydzieleniowo typu maraging, o szczególnych własnościach magnetycznych, szkła metaliczne i materiały nanostrukturalne Streszczenie 2

3 Seria: Podręczniki akademickie Metale i ich stopy oraz materiały inteligentne i kompozytowe na bazie żelaza. W rozdziale ósmym opisano stopy odlewnicze żelaza, W następnych trzech rozdziałach kolejno, najpierw ogólnie scharakteryzowano i następnie opisano metale lekkie i ich stopy (Al, Ti, Be i Mg), metale ciężkie i ich stopy (Cu, Zn, Pb, Sn, Ni, Co, Zr, Hf, Cd, In i Bi) oraz metale trudno topliwe i szlachetne oraz ich stopy (Nb, Ta, Mo, W, Re, Au, Ag, Pt, Pd i pozostałe szlachetne). Rozdział dwunasty dotyczy metali alkalicznych, rzadkich i pozostałych metali nieżelaznych oraz niektórych półmetali, w tym m.in. metali alkalicznych i ziem alkalicznych, rzadkich i ziem rzadkich oraz aktynowców naturalnych i transplutonowych. W bardzo obszernym ostatnim rozdziale opisano różne materiały z udziałem metali nieżelaznych do specjalnych zastosowań. W kolejności przedstawiono zawierające metale nieżelazne materiały spiekane, w tym narzędziowe, stopy o składzie faz międzymetalicznych lub o małej rozszerzalności cieplnej, materiały amorficzne i nanostrukturalne, materiały wysokoporowate i szkieletowe, o szczególnych własnościach elektrycznych i magnetycznych, inteligentne, kompozytowe, nanokompozytowe i mikrokompozytowe oraz stosowane jako materiały biomedyczne i w protetyce stomatologicznej. Na końcu książki podano obszerny wykaz literatury uzupełniającej. Projekt/metodologia/podejście: W książce licznie przedstawiono składy chemicznie oraz własności poszczególnych metali i ich stopów na podstawie norm europejskich EN oraz międzynarodowych ISO. Dane dotyczące skali produkcji zaczerpnięto z informacji opublikowanych pod koniec 2016 roku w odpowiednich międzynarodowych wydawnictwach. Bardzo szeroko wykorzystano wyniki własnych badań naukowych wykonannych w ostatnim dziesięcioleciu, zwłaszcza dotyczacych materiałów o szczególnych własnosciach do zastosowań specjalnych. Książka jest bardzo szeroko ilustrowana autorsko opracowanymi rysunkami i tablicami. Osiągnięcia: Osiągnięciem tej książki jest kompleksowe ujęcie problematyki metali i ich stopów, przy równoczesnej bardzo szczegółowej i zgodnej z obowiązujacymi normami prezentacji składów chemicznych, struktury i własności poszczególnych materiałów inżynierskich oraz ich obszarów aplikacyjnych. Konsekwentnie przekazano wyjaśnienia, umożliwiające zrozumienie przemian fazowych i zmian strukturalnych zachodzących w opisywanych metalach i stopach oraz spowodowanych przez to zmian ich własności mechanicznych, technologicznych i eksploatacyjnych. Ujęto przy tym liczne materiały, w których wykorzystywane są metale, zwłaszcza nieżelazne, w tym np. szkła metaliczne, materiały porowate, szkieletowe, spiekane, kompozytowe, nanostrukturalne, stosowane w medycynie i stomatologii, elektronice i w wielu innych zastosowaniach specjalnych, których zwykle nie opisuje się w podręcznikach metaloznawstwa. Ograniczenia badań/zastosowań: W niniejszej książce, ze względu na konieczne ograniczenia objętości tego bardzo obszernego opracowania, zrezygnowano z załączenia zdjęć materiałograficznych analizowanych metali i stopów, a także z umieszczenia atlasu zawierającego wybrane struktury. Względy ekonomiczne zadecydowały również o konieczności druku czarno-białego. Praktyczne zastosowania: Książka stanowi specjalistyczny podręcznik akademicki dla Studentów i Doktorantów, ale bardzo szczegółowa prezentacja poszczególnych grup materiałów umożliwia Inżynierom pracujacym w przemyśle oraz Kadrze naukowej wykorzystywania jej jako poradnika, a nawet encyklopedii. Oryginalność/wartość: Lekturę książki i przyswajanie przez Czytelnika przekazywanych treści ułatwia układ rozdziałów, podrozdziałów, a zwłaszcza marginaliów, dzielących całość treści na krótkie i bardzo łatwo przyswajalne fragmenty. Szeroki zakres treści poruszanych w książce, a zwłaszcza opisanie wielu nowoczesnych i zaawansowanych materiałów inżynierskich na bazie zarówno żelaza, jak I metali nieżelaznych stanowi również o oryginalności i wartości książki. Słowa kluczowe: materiały inżynierskie, metale, stopy metali, projektowanie materiałowe, procesty technologiczne, struktura, własności Cytowania tej książki powinny być podane w następujący sposób: L.A. Dobrzański, Metale i ich stopy, Open Access Library, Annal VII(2)2017 s Streszczenie 3

4 Spis treści Streszczenie Abstract Od Autora 1. Podstawy kształtowania struktury i własności metali i ich stopów 1.1. Ogólna charakterystyka budowy materii, klasyfikacji pierwiastków chemicznych i wiązań między atomami 1.2. Główne grupy materiałów inżynierskich i czynniki decydujące o ich doborze 1.3. Struktura krystaliczna metali 1.4. Stopy metali i fazy 1.5. Równowaga termodynamiczna układu i wykresy równowagi fazowej 1.6. Stany skupienia metali oraz krystalizacja metali I stopów 1.7. Metody metalurgii proszków jako technologii materiałów i gotowych produktów 1.8. Oodkształcenie plastyczne metali I rekrystalizacja 2. Rola materiałów metalowych we współczesnej technice 2.1. Porównanie podstawowych własności mechanicznych, technologicznych i eksploatacyjnych metali z innymi materiałami inżynierskimi oraz ekonomiczne uwarunkowania ich stosowania 2.2. Projektowanie materiałowe i technologiczne produktów z metali i ich stopów 2.3. Ogólna charakterystyka metali i ich stopów 2.4. Własności, zużycie i produkcja metali 2.5. Klasyfikacja metali i ich stopów 3. Ogólna charakterystyka żelaza i stali 3.1. Żelazo i jego własności 3.2. Wykresy równowagi układu żelazo-węgiel i przemiany fazowe podczas krystalizacji stopów żelaza z węglem 3.3. Podstawy produkcjistali 3.4. Przemiany fazowe w stalach w stanie stałym 3.5. Oznaczanie stali Spis treści 4

5 4. Rola węgla, dodatków stopowych i domieszek w stalach 4.1. Stale węglowe 4.2. Rola domieszek, zanieczyszczeń i wtrąceń niemetalicznych w stalach 4.3. Dodatki stopowe w stalach i innych stopach żelaza 4.4. Znaczenie pierwiastków stopowych rozpuszczonych w roztworach stałych 4.5. Znaczenie pierwiastków stopowych związanych w węglikach i azotkach 4.6. Znaczenie pierwiastków stopowych związanych w fazach międzymetalicznych, wtrąceniach niemetalicznych I fazach obcych 5. Stale konstrukcyjne,maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe 5.1. Kryteria doboru stali na elementy konstrukcyjne i elementy maszyn 5.2. Stale niestopowe konstrukcyjne, maszynowe i na urządzenia ciśnieniowe 5.3. Stale niestopowe niskowęglowe do obróbki plastycznej na zimno 5.4. Ogólna charakterystyka stali stopowych konstrukcyjnych, maszynowych i na urządzenia ciśnieniowe 5.5. Stale konstrukcyjne o podwyższonej granicy plastyczności przeznaczone do obróbki plastycznej na zimno 5.6. Niskostopowe stale konstrukcyjne i na urządzenia ciśnieniowe, spawalne i maszynowe z mikrododatkami 5.7. Stale na blachy i taśmy do zastosowań w przemyśle samochodowym 5.8. Stale konstrukcyjne trudno rdzewiejące 5.9. Stale stopowe konstrukcyjne i maszynowe do ulepszania cieplnego oraz sprężynowe Stale stopowe do obróbki cieplno-chemicznej 6. Stale stosowane na narzędzia i na elementy łożysk tocznych 6.1. Ogólna charakterystyka stali stosowanych na narzędzia 6.2. Stale niestopowe narzędziowe 6.3. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno 6.4. Stale narzędziowe stopowe do pracy na gorąco 6.5. Stale szybkotnące 6.6. Spiekane stale narzędziowe stopowe 6.7. Węglikostale spiekane 6.8. Materiały narzędziowe na bazie żelaza z gradientem składu chemicznego lub fazowego 6.9. Ogólna charakterystyka i obróbka cieplna stali na elementy łożysk Tocznych 5 Prof. Leszek A. Dobrzański

6 Seria: Podręczniki akademickie Metale i ich stopy 7 Stale i stopy żelaza o szczególnych własnościach 7.1. Ogólna charakterystyka stali i stopów żelaza o szczególnych własnościach 7.2. Stale do pracy w podwyższonej temperaturze 7.3. Stale i inne stopy żelaza do pracy w wysokiej temperaturze 7.4. Stale do pracy w obniżonej temperaturze 7.5. Stale odporne na korozję 7.6. Spiekane stale odporne na korozję 7.7. Stale odporne na korozję stosowane w medycynie 7.8. Stale odporne na ścierania 7.9. Wysokowytrzymałe niskowęglowe stale martenzytyczne utwardzane wydzieleniowo typu maraging Stopy żelaza o szczególnych własnościach magnetycznych Szkła metaliczne i materiały nanostrukturalne na bazie lub z udziałem żelaza Materiały inteligentne na bazie żelaza Inne specjalne stopy żelaza Materiały kompozytowe z udziałem żelaza 8. Odlewnicze stopy żelaza 8.1. Staliwa niestopowe 8.2. Staliwa stopowe 8.3. Żeliwa niestopowe 8.4. Żeliwa stopowe 9. Metale lekkie i ich stopy 9.1. Ogólna charakterystyka metali lekkich 9.2. Aluminium i jego stopy 9.3. Tytan i jego stopy 9.4. Beryl i jego stopy 9.5. Magnez i jego stopy 10. Metale ciężkie i ich stopy Ogólna charakterystyka metali ciężkich Miedź i jej stopy Cynk i jego stopy Ołów i cyna oraz ich stopy Nikiel i jego stopy Kobalt i jego stopy Cyrkon i hafn oraz ich stopy Kadm i jego stopy Ind i bizmut oraz ich stopy 11. Metale trudno topliwe i szlachetne oraz ich stopy Ogólna charakterystyka metali trudno topliwych Spis treści 6

7 11.2. Ogólna charakterystyka metali szlachetnych i ich stopów Niob i jego stopy Tantal i jego stopy Molibden i jego stopy Wolfram i jego stopy Ren i jego stopy Złoto i jego stopy Srebro i jego stopy Platyna i jej stopy Pallad I jego stopy Pozostałe metale szlachetne 12. Metale alkaliczne, rzadkie i pozostałe metale nieżelazne oraz niektóre półmetale Ogólna charakterystyka metali alkalicznych i ziem alkalicznych Ogólna charakterystyka metali rzadkich i ziem rzadkich Ogólna charakterystyka aktynowców naturalnych Ogólna charakterystyka aktynowców transplutonowych Ogólna charakterystyka pozostałych metali nieżelaznych i niektórych półmetali Przegląd metali alkalicznych Przegląd metali ziem alkalicznych Przegląd aktynowców naturalnych Uran i jego stopy Przegląd pozostałych metali nieżelaznych i wybranych półmetali 13. Materiały z udziałem metali nieżelaznych do specjalnych zastosowań Materiały spiekane z udziałem metali nieżelaznych Spiekane materiały narzędziowe z udziałem metali nieżelaznych Stopy metali nieżelaznych o składzie faz międzymetalicznych lub o małej rozszerzalności cieplnej Materiały amorficzne i nanostrukturalne na bazie metali nieżelaznych Wysokoporowate i szkieletowe materiały na baize metali nieżelaznych Metale nieżelazne i ich stopy o szczególnych własnościach elektrycznych Metale nieżelazne i ich stopy o szczególnych własnościach magnetycznych Inżynierskie materiały inteligentne na bazie metali nieżelaznych Materiały kompozytowe z udziałem metali nieżelaznych Materiały nanokompozytowe i mikrokompozytowe z udziałem metali nieżelaznych Stopy metali nieżelaznych jako materiały biomedyczne Stopy metali nieżelaznych stosowane w protetyce stomatologicznej 14. Literatura uzupełniająca 7 Prof. Leszek A. Dobrzański