4. METALE I ICH STOPY

4. METALE I ICH STOPY 4. 1. Struktura krystaliczna metali Metale charakteryzuje wyłczny lub dominujcy typ wizania metalicznego. Atomy walencyjne mog oderwa si od swoich atomów tworzc gaz elektronowy swobodnie poruszajcy si midzy rdzeniami atomowymi. Przyciganie midzy gazem, a rdzeniami, powoduje powstanie niekierunkowych sił spójnoci i w efekcie tworzenie struktur krystalicznych o wysokim stopniu wypełnienia przestrzeni atomami. Atomy w strukturach krystalicznych rozmieszczone s w sposób uporzdkowany tworzc okrelon przestrzenn sie sie krystaliczn złoon z elementarnych, identycznych komórek sieciowych. Opisanie połoenia atomów w komórce elementarnej wystarcza do opisania połoenia wszystkich atomów w krysztale. Istnieje 14 typów sieci krystalicznych, ale wikszo metali ma proste struktury o wysokiej symetrii, które mona rozpatrywa jako przestrzenny układ kul obrazujcych atomy. Metale o znaczeniu technicznym krystalizuj w jednym z trzech typów struktur, których modele pokazano na rys. 4-1, 4-2 oraz 4-3. a) b) Rys. 4-1. Struktura krystaliczna regularna ciennie centrowana A1: a) ułoenie atomów w komórce elementarnej, b) komórka elementarna sieci punktowej 70

Nale do nich: struktura regularna ciennie centrowana (oznaczana jako RSC lub A1), charakterystyczna dla takich metali jak: Cu, Al, Ni, Fe-γ, Ag, Au, Pt i Pb, struktura regularna przestrzennie centrowana (RPC lub A2), w której krystalizuje Mo, Fe-α, W, V, Nb, Cr-α, struktura heksagonalna zwarta (HZ lub A3), w której krystalizuj: Zn, Ti-α, Mg, Cd, Be, Zr-α. Niektóre metale, takie jak: elazo (Fe), tytan (Ti), chrom (Cr), mangan (Mn), maj w rónych temperaturach róne struktury krystaliczne. Takie zjawisko nosi nazw polimorfizmu lub alotropii. Na przykład elazo do temperatury 912 C ma struktur A2 (ta odmiana alotropowa oznaczana jest jako Fe-α), w zakresie temperatur od 912 C do 1394 C struktur A1 (odmiana Fe-γ), za powyej temperatury 1394 C, a do temperatury topnienia, trwała jest odmiana Fe o strukturze A2. Przejciu metalu z jednej odmiany alotropowej w drug towarzyszy zmiana właciwoci, a tym gstoci i obja) b) Rys. 4-2. Struktura krystaliczna regularna przestrzennie centrowana A2: a) ułoenie atomów w komórce elementarnej, b) komórka elementarna sieci punktowej a) b) Rys. 4-3. Struktura krystaliczna heksagonalna zwarta A3: a) ułoenie atomów w komórce elementarnej; b) komórka elementarna sieci punktowej 71

toci właciwej. Na przykład elazo Fe-γ ma o 3% wiksz gsto od elaza Fe-α i odpowiednio wiksz objto właciw. Struktury A1 i A3 s zbudowane z warstw atomowych o najgstszym wypełnieniu atomami. Na rysunku 4-4 pokazano tak warstw dla struktury A1; w strukturze A3 warstw najgciej upakowan stanowi podstawa komórki elementarnej (tzw. płaszczyzna bazalna) pokazanej na rysunku 4-3. Polizg ten zachodzi najłatwiej na płaszczyznach i w kierunkach o najgstszym wypełnieniu atomami (rys. 4-4). Im cianiej atomy poszczególnych płaszczyzn s upawarstwa atomowa o zwartym wypełnieniu Rys. 4-4. Rozmieszczenie atomów w strukturze A1; zaznaczono komórk elementarn oraz warstw o zwartym wypełnieniu atomami Obie struktury charakteryzuje wysoki stopie wypełnienia przestrzeni równy 74% ale tylko struktura A1 wyrónia si wysokim stopniem symetrii. Ma to duy wpływ na wysok podatno metali o takich strukturach na odkształcanie plastyczne. Odkształcenie plastyczne metali jest wynikiem tego, e pod wpływem napre nastpuj w ich strukturze przesunicia (zwane polizgami) jednych warstw atomowych wzgldem drugich (rys. 4-5). a) b) Rys. 4-5. Mechanizm odkształcenia plastycznego przez polizg płaszczyzn atomowych: a) łatwiejszy gdy płaszczyzny s gsto upakowane; b) trudniejszy, gdy płaszczyzny s słabiej wypełnione atomami 72

kowane, tym odstp midzy tymi płaszczyznami jest wikszy i siła wymuszajca przemieszczenie mniejsza. Metale takie jak: złoto, mied czy srebro (wszystkie o strukturze A1), s bardzo podatne na odkształcenia plastyczne, poniewa w ich strukturze, takich płaszczyzn i kierunków, w których moe dochodzi do polizgu jest du- o. Płaszczyzny i kierunki moliwych polizgów nazywane s systemami polizgu. W strukturze A3, o mniejszm stopniu symetrii, takich systemów jest znacznie mniej. Dlatego metale o takej strukturze s mniej podatne na odkształcenia plastyczne. W strukturze krystalicznej A2 nie ma płaszczyzn o tak gstym ułoeniu atomów, tote stopie wypełnienia przestrzeni przez atomy jest w niej mniejszy, w porównaniu z pozostałymi dwoma strukturami podstawowymi (A1 i A3). Metale o takiej strukturze s bardziej wytrzymałe ni metale o strukturze RSC. 4. 2. Defekty struktury krystalicznej Fazy krystaliczne zawieraj zawsze zaburzenia w doskonale regularnym i powtarzalnym ułoeniu atomów, nazywane defektami struktury krystalicznej. Obecno takich defektów nie oznacza jednak, e materiały krystaliczne s wadliwe. Defekty maj istotny wpływ na właciwoci fizyczne i mechaniczne materiałów. Wprowadzane s celowo poprzez tworzenie stopów, obróbk ciepln lub poprzez techniki wytwarzania, czy przetwarzania, w celu otrzymania materiałów o danych właciwociach. Ze wzgldu na geometri zaburzenia wyrónia si defekty struktury: liniowe (dyslokacje), punktowe, powierzchniowe. Defekty liniowe dyslokacje s szczególnym rodzajem zaburzenia ułoenia atomów. Sprawiaj one, e metale znacznie łatwiej poddaj si odkształcaniu plastycznemu ni wynikałoby to ze wspomnianego wyej sztywnego polizgu warstw atomowych. Rozrónia si dwa rodzaje dyslokacji: dyslokacje rubowe i krawdziowe. Na rys. 4-6 pokazano modele obydwu rodzajów dyslokacji oraz czysto mylowy sposób ich utworzenia. Model dyslokacji krawdziowej moe by utworzony przez nacicie idealnego kryształu (rys. 4-6a) na pewn głboko (rys. 4-6b) i nastpnie przesunicie wzgldem siebie kraców powierzchni nacicia, o jeden odstp atomowy, prostopadle do linii nacicia A-A. Linia nacicia A-A nazywana jest lini dyslokacji. Jak wida na rys. 4-6d, zaburzenia w rozmieszczeniu atomów obejmuj niewielki obszar wokół linii dyslokacji, zatem dyslokacja jest defektem liniowym. W przypadku modelowania dyslokacji rubowej przesunicia krawdzi nacicia kryształu idealnego naley dokona nie prostopadle, a równolegle do linii nacicia (rys. 4-6c). Efektem takiego przesunicia (rys. 4-6e) jest skrcenie płaszczyzn atomowych, prostopadłych do linii A-A, w kształt spirali tak, e tworz powierzchni przypominajc powierzchni gwintu ruby. Porównujc geometri obydwu rodzajów dyslokacji (rys. 4-6d i 4-6e) naley zauwa- y, e w przypadku dyslokacji krawdziowej linia dyslokacji jest krawdzi kocz- 73

cej si w krysztale półpłaszczyzny atomowej, natomiast linia dyslokacji rubowej jest osi spiralnie skrconej płaszczyzny atomowej. a) b) c) d) A e) A A A Rys. 4-6. Schematyczne przedstawienie tworzenia modelu dyslokacji krawdziowej i rubowej: a) kryształ idealny; b), c) kryształy po naciciu z zaznaczonymi kierunkami przesunicia kraców nacicia; d) efekt przesunicia prostopadle do linii nacicia w postaci dyslokacji krawdziowej; e) efekt przesunicia równolegle do linii nacicia w postaci dyslokacji rubowej [3] W rzeczywistym krysztale kada dyslokacja jest albo krawdziow, albo rubow, albo te składa si z segmentów kadej z nich. Ilo dyslokacji w materiale okrela si przez podanie sumarycznej długoci linii w jednostce objtoci materiału. Parametr ten nazywa si gstoci dyslokacji. W metalach wyarzonych jest ona zwykle rzdu 10 10 m/m 3 (m/m³=1/m²; ta ostatnia jednostka jest najczciej podawana przy opisie 74

gstoci dyslokacji), za w silnie odkształconych plastycznie nawet rzdu 10 17 1/m², co jest graniczn wartoci obserwowan w praktyce. Odkształcenie plastyczne metali w skali atomowej polega na, jak ju powiedziano w rozdziale 4.1, przemieszczaniu si (polizgu) wzgldem siebie ssiednich płaszczyzn atomowych (patrz rys. 4-5). Obecno dyslokacji w kryształach powoduje, e przemieszczanie si płaszczyzn (czyli odkształcenie plastyczne) jest łatwiejsze, tzn. wymaga działania o kilka rzdów mniejszych sił, ni w przypadku kryształu idealnego. Teoretyczna (bez uwzgldnienia dyslokacji) wytrzymało elaza wynosi około 13 GPa, a faktyczna jedynie 250 MPa (zaledwie 1,9% wytrzymałoci teoretycznej). Dzieje si tak dziki zdolnoci dyslokacji do polizgu. Mechanizm odkształcenia plastycznego przez polizg dyslokacji w materiałach krystalicznych róni je zasadniczo od materiałów niekrystalicznych, w których odkształcenie plastyczne jest realizowane przez lepkie płynicie (podobnie jak cieczy). Pod wpływem działania napre dyslokacje mog łatwo porusza si (lizga si) wzdłu najgciej upakowanych płaszczyzn atomowych, powodujc przemieszczanie si wzgldem siebie czci kryształu, lecych po obu stronach tych płaszczyzn, o jeden odstp midzyatomowy (rys. 4-7a). Rol spełnian przez dyslokacje podczas odkształcania plastycznego metali, mona przyrówna do przesuwania w łatwy sposób dywanu o duej powierzchni poprzez przemieszczanie utworzonego w nim fałdu, co jest znacznie łatwiejsze, ni cignicie całego dywanu po podłodze (rys. 4-7b). Im łatwiejszy jest ruch dyslokacji, tym łatwiejsze jest te jego plastyczne odkształcanie. a) b) τ τ Rys. 4-7. Schemat przemieszczania si: a) dyslokacji krawdziowej przez kryształ pod wpływem naprenia stycznego τ ; b) fałdu dywanu po podłodze [5] 75

Rezultatem polizgu dyslokacji jest przemieszczenie si jednej czci kryształu wzgldem drugiej o jeden odstp atomowy (rys. 4-8) niezalenie od tego, czy jest to dyslokacja rubowa czy krawdziowa. Przemieszczenie si wielu dyslokacji daje efekt makroskopowego odkształcenia plastycznego. a) b) c) d) dyslokacja krawdziowa dyslokacja rubowa Rys. 4-8. Schemat odkształcenia plastycznego kryształu pod wpływem działania napre stycznych: a) kryształ idealny, b) powstanie dyslokacji, c) przemieszczanie si dyslokacji, d) powstanie uskoku; kryształ jest teraz odkształcony plastycznie [4] Dobr cigliwo i łatwo, z jak mona nadawa skomplikowane kształty przez odkształcenie plastyczne (walcowanie, cignienie, kucie, tłoczenie), metale zawdziczaj obecnoci w nich duej iloci dyslokacji zdolnych do polizgu, łatwoci, z jak generowane s dyslokacje oraz łatwoci, z jak zachodzi polizgowy ruch dyslokacji. Defekty punktowe. Wprowadzaj zaburzenie w ułoeniu atomów na niewielkie odległoci. Podstawowe defekty to brak atomu (nie obsadzone miejsce) w strukturze, nazywane wakansem (rys. 4-9a), oraz obce atomy zajmujce połoenia wzłowe lub midzywzłowe w strukturze (rys. 4-9b,c,d). Powstawanie wakansów jest rezultatem drga cieplnych atomów. Ich stenie ronie wykładniczo ze wzrostem temperatury. Obce atomy w sieci pierwiastka podstawowego wystpuj zawsze z dwóch powodów: uzyskanie metalu idealnie czystego, całkowicie pozbawionego zanieczyszcze chemicznych, jest niemoliwe albo nieopłacalne, materiały metaliczne o znaczeniu technicznym najczciej nie s czystymi metalami, a stopami co najmniej dwóch pierwiastków. 76

a) b) c) d) Rys. 4-9. Podstawowe typy defektów punktowych w kryształach: a) wakans, b) obcy atom w pozycji midzywzłowej, c) i d) obce atomy w pozycji wzłowej Zarówno wakanse jaki i obce atomy wprowadzaj zaburzenia w ułoeniu ssiadujcych z nimi atomów (rys. 4-9). W rezultacie polizg dyslokacji jest utrudniony i wła- ciwoci wytrzymałociowe materiału rosn. Defekty powierzchniowe granice ziaren. Materiały krystaliczne, z jakimi ma si w praktyce do czynienia, rzadko wykazuj struktur monokryształów, charakteryzujc si jednakowym rozmieszczeniem atomów w całej objtoci; chyba e wytwarzane s specjalnymi metodami. Materiały techniczne wytwarzane konwencjonalnymi metodami s na ogół ciałami polikrystalicznymi, tzn. s zbudowane z wielu kryształów ziaren o wymiarach 3-100 µm. Powierzchnie oddzielajce poszczególne kryształy nazywane s granicami ziaren. S one, w uproszczeniu, dwuwymiarowymi defektami budowy krystalicznej, poniewa sieci krystaliczne stykajcych si ziaren s niejednakowo zorientowane w przestrzeni, a upakowanie atomów midzy ziarnami jest gorsze, ni w idealnej sieci (rys. 4-10). a) b) Rys. 4-10. Dwuwymiarowy model: a) granicy ziaren w czystym metalu; kule białe oznaczaj atomy tworzce granic ziaren, b) granicy midzyfazowej w stopie dwuskładnikowym; kule białe i czarne oznaczaj atomy jednego i drugiego składnika stopu a obszar zakreskowany - granic midzy ziarnami rónych faz 77

Szeroko granic ziaren, tzn. obszarów, w których ułoenie atomów i odległoci midzyatomowe s inne, ni we wntrzu ziaren, nie przekracza zwykle 3-4 rednic atomowych (szeroko ta jest nieco wiksza w przypadku granicy midzyfazowej, z uwagi na rónice struktur faz). Atomy w obszarze nazywanym granic ziaren zajmuj połoenia wynikajce z kompromisu pomidzy wymaganiami strukturalnymi ssiadujcych ziaren, dlatego ich ułoenie jest luniejsze, ni we wntrzu ziaren. Poniewa wielko ziaren mona regulowa zarówno w czasie krystalizacji metali, jak i w stanie stałym poprzez proces technologiczny zapewnianie okrelonej wielkoci ziarna materiału jest jedn z metod kontrolowania jego właciwoci. Ma to istotne znaczenie, gdy ziarnisto materiału ma ogromny wpływ na takie właciwoci materiału jak: granica plastycznoci, wytrzymało, udarno, twardo, odporno na pełzanie; a wic na właciwoci wytrzymałociowe. Mechanizm odkształcania plastycznego materiałów polikrystalicznych tym róni si od mechanizmu odkształcania monokryształów, e polizgi dyslokacji w rónych ziarnach odbywaj si w rónych kierunkach (rys. 4-11) i blokowane s na granicach ziaren. Dlatego metale drobnoziarniste maj wysz granic plastycznoci, ni metale o duych ziarnach (im wicej takich blokowa, tym wiksza energia potrzebna do ich pokonania, a zatem i wysza granica plastycznoci), wysz granic wytrzymałoci, udarnoc i twardo. a) b) τ linie polizgu dyslokacji Rys. 4-11. Odkształcona plastycznie próbka czystego aluminium: a) linie polizgu wewntrz kadego ziarna (mikrofotografia struktury, pow. 500x), b) schemat mechanizmu polizgu wewntrz pojedynczego ziarna 78

Podczas odkształcania plastycznego materiału (np. poprzez walcowanie) dyslokacje przemieszczaj si i blokuj na przeszkodach. Pod wpływem działajcych napre powielaj si (mno) wskutek czego ich gsto ronie. W wyniku ruchu rosncej liczby dyslokacji pojawia si makroskopowe odkształcenie plastyczne. Poszczególne ziarna zmieniaj swój kształt (ulegaj wydłueniu w kierunku odbywajcej si obróbki plastycznej, jak to schematycznie pokazano na rys. 4-12 na przykładzie walcowania), dopasowujc go do ssiednich ziaren, bez powstawania pkni. Rys. 4-12. Schemat odkształcenia plastycznego metalu polikrystalicznego podczas walcowania 4. 3. Metody umacniania metali Metale czyste, z powodu prostoty ich struktury krystalicznej, w której łatwo zachodz polizgi dyslokacji, charakteryzuje wysoka cigliwo, ale niska granica plastyczno- ci, co uniemoliwia w zasadzie ich stosowanie na konstrukcje i czci maszyn. Dlatego umacnia si je rónymi metodami, polegajcymi na wprowadzaniu do struktury rónych przeszkód (defektów) blokujcych ruch dyslokacji oraz metodami powodujcymi wzrost gstoci dyslokacji, np. wskutek kucia, walcowania, tłoczenia czy cignienia. Podwysza si w ten sposób twardo, granic plastycznoci i wytrzymało metali, ale jednoczenie obnia ich właciwoci plastyczne (wydłuenie, przewenie) oraz przewodno elektryczn i ciepln. Na rys. 4-13 pokazano zaleno wytrzymałoci metali od gstoci wprowadzonych defektów. Z wykresu wynika, e wady w strukturze obniaj wytrzymało materiału, a do osignicia pewnej wartoci minimalnej, po przekroczeniu której materiał staje si bardziej wytrzymały w miar wzrostu iloci wad (defektów). Oznacza to, e metal mona umocni dwojako: zmniejszajc gsto defektów jego struktury krystalicznej (poniej gstoci krytycznej), zwikszajc ich gsto (znacznie powyej gstoci krytycznej). 79

Umacnianie poprzez zmniejszanie gstoci defektów, a wic poruszanie si w lewej czci wykresu z rys. 4-14, jest bardziej kłopotliwe, poniewa wytwarzanie metali w postaci monokryształów o idealnej budowie krystalicznej jest technicznie bardzo trudne (w zwizku z tym równie kosztowne) i w praktyce niemal nie stosowane. Wyjtek stanowi monokryształy włoskowate (tzw. wiskersy), które s stosowane jako szczególne zbrojenie kompozytów, tzn. uywane s jako materiał wzmacniajcy plastyczn osnow polimerow lub metalow w specjalnych kompozytach (patrz rozdział 7). Materiały metaliczne stosowane w technice znajduj si po prawej stronie wykresu przedstawionego na rys. 4-13, a wic w zakresie duych gstoci defektów. Zwikszenie wytrzymałoci uzyskuje si w nich poprzez stosowanie takich procesów wytwarzania, które prowadz do zwikszenia gstoci wad budowy krystalicznej. Praktycznie odbywa to si przez sterowanie procesami technicznymi odlewania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej oraz przez odpowiedni dobór pierwiastków wprowadzanych do metali jako dodatki stopowe. Granica plastycznoci, Re teoretyczna granica plastycznoci kryształy włoskowe zakres gstoci wad budowy krystalicznej w metalach i stopach zakres wartoci R e metali i stopów technicznych Gsto wad budowy krystalicznej Rys. 4-13. Schemat zaleno- ci właciwoci wytrzymało- ciowych metali od gstoci defektów struktury krystalicznej [6] W rezultacie właciwoci wytrzymałociowe materiałów s sumarycznym efektem zastosowania w procesie technologicznym na ogół kilku metod umacniania, do których nale: tworzenie stopów, prowadzce do: - umocnienia roztworowego oraz - umocnienia drug faz (tzw. umocnienie wydzieleniowe lub przez tworzenie mieszaniny faz), odkształcanie plastyczne na zimno umocnienie odkształceniowe, 80

rozdrobnienie ziaren umocnienie granicami ziaren, przemiany fazowe w stanie stałym umocnienie przez przemian martenzytyczn. Efekty zastosowanych metod umacniania mierzy si wzrostem właciwoci wytrzymałociowych (przyrostem ich wartoci) najczciej granicy plastycznoci. Wartoci granicy plastycznoci metalicznych materiałów technicznych zale wic od wielkoci sumarycznego umocnienia (kontrolowanego parametrami procesu wytwarzania), zgodnie ze wzorem: R e (lub R 0,2 ) = R 0 + R st + R f + R ρ + R gr + R pf, (4.1) w którym: R 0 granica plastycznoci czystego metalu w stanie wyjciowym (nieumocnionym), R st efekt umocnienia roztworowego, R f efekt umocnienia drug faz, R ρ efekt umocnienia wskutek odkształcenia plastycznego (przez wzrost gstoci dyslokacji), R gr efekt umocnienia granicami ziaren, R pf efekt umocnienie wskutek przemian fazowych. Uzyskany w ten sposób wzrost wytrzymałoci materiału prowadzi, niestety, do pogorszenia właciwoci plastycznych. Dlatego parametry procesu technologicznego, a tym samym metody umocnienia, dobiera si tak, aby uzyska optymalny dla danych warunków eksploatacji kompromis kompromis pomidzy właciwociami wytrzymało- ciowymi i plastycznymi materiału konstrukcyjnego. 4. 3. 1. Umacnianie metali przez tworzenie stopów Umocnienie roztworowe realizowane jest w procesie topienia metalu bazowego z innymi pierwiastkami (metalami lub niemetalami), nazywanymi pierwiastkami stopowymi. Stapiajc z metalem bazowym pierwiastek stopowy w iloci nie wikszej, ni wynosi jego maksymalna rozpuszczalno w stanie stałym, otrzymuje si po zakrzepniciu stop zbudowany z ziaren jednej fazy nazywanej roztworem stałym. Atomy pierwiastka rozpuszczonego zajmuj przypadkowe pozycje w wzłach sieci (zastpujc atomy metalu bazowego) lub pozycje midzywzłowe, deformujc lokalnie sie metalu bazowego, a tym samym wywieraj one działanie umacniajce. Im bardziej róni si promienie atomowe stopionych pierwiastków, tym wiksze s pola odkształce, a tym samym silniejsze jest ich hamujce działanie na polizg dyslokacji. Ponadto im wiksza jest ilo pierwiastka dodanego (dodatku stopowego), tym efekt umocnienia jest wikszy. Dla przykładu, na rys. 4-14 pokazano wpływ rónych pierwiastków stopowych rozpuszczonych w miedzi na jej granic plastycznoci. Z rysunku wynika, e deformacja sieci spowodowana atomami pierwiastków o mniejszych promieniach ni mied daje wikszy efekt umocnienia ni deformacja wywołana atomami o wikszych rednicach. 81

Re MPa Be Metal Promie atomowy r r [nm] Cu 100 r Cu 200 150 100 Si Al Sn Zn Ni Cu 0,1278 Zn 0,1332 + 4,2% Al 0,1432 +12,1% Sn 0,1509 +18,1% Ni 0,1243-2,7% Si 0,1176-8,0% 50 Be 0,1143-10,6% 10 20 30 % pierwiastka Rys. 4-14. Wpływ rónych pierwiastków stopowych na granic plastycznoci miedzi [3] Umocnienie roztworowe nie wymaga specjalnych zabiegów, poniewa jest rezultatem składu stopu, który jest ustalony na etapie projektowania stopu. Naley równie pamita, e obecno atomów obcych w strukturze czystego metalu powoduje: podwyszenie jego właciwoci wytrzymałociowych oraz twardoci, przy jednoczesnym obnieniu właciwoci plastycznych (wyjtek stanowi mosidze jednofazowe), silne obnienie przewodnoci elektrycznej, obnienie lub podwyszenie jego temperatury topnienia, podwyszenie odpornoci na pełzanie. Warto ponadto podkreli, e stopy jednofazowe mimo umocnienia atomami drugiego pierwiastka s nadal materiałami łatwo odkształcalnymi plastycznie na zimno. Umocnienie drug faz. Gdy ilo pierwiastka dodanego do czystego metalu jest wiksza, ni wynosi jego graniczna rozpuszczalno, nadmiar pierwiastka krystalizuje obok ziaren roztworu, czsto na granicy ziaren, w postaci drugiej fazy (czsto o zło- onej strukturze krystalograficznej) bogatej w ten pierwiastek (rys. 4-15). Granice midzy dwoma fazami charakteryzuje silnie zdefektowane ułoenie atomów (rys. 4-10b), stanowic trudn do pokonania przeszkod dla ruchu dyslokacji w efekcie staje si to bardzo efektywnym sposobem umocnienia. Druga faza jest czsto twarda i krucha. Moe ona przy tym mie róny kształt, najczciej w postaci: ziaren równoosiowych, płytek, czy ewentualnie płatków. Od geometrii ziaren tej drugiej fazy, ich wielkoci i twardoci zaley wikszo właciwoci stopów. 82

roztwór stały pierwiastka A w B faza bogata w pierwiastek B atom pierwiastka A atom pierwiastka B Rys. 4-15. Schemat nasyconego roztworu stałego pierwiastka B w metalu A, z wydzieleniami fazy bogatej w pierwiastek B [12] W zalenoci od iloci drugiej fazy w stosunku do podstawowej (roztworu stałego na bazie metalu bazowego) oraz warunków ich powstawania, rozrónia si umocnienie wydzieleniowe i umocnienie mieszanin faz. Umocnienie wydzieleniowe. W stopach umacnianych wydzieleniowo faz podstawow jest roztwór stały nazywany osnow, w której rozłoona jest druga faza, wystpujca w znacznie mniejszej iloci, w postaci tzw. wydziele (poniewa wydziela si z przesyconego roztworu stałego). Aby efekt umocnienia wydzieleniowego był jak najwikszy druga faza powinna by twarda i o moliwie duym udziale objtociowym. Czstki powinny by bardzo drobne i równomiernie rozmieszczone w plastycznej i cigliwej osnowie. Taki sposób umocnienia jest bardzo efektywny moe zapewni prawie dwukrotny wzrost wytrzymałoci przy stosunkowo dobrej cigliwoci. Szczególnie wysoki efekt umocnienia wydzieleniowego mona uzyska w brzach berylowych (stopy układu Cu Be) oraz duraluminach (stopy układu Al Cu). Podstawowe właciwoci mechaniczne przedstawicieli takich stopów podano w tablicy 4-1. Tablica 4-1. Właciwoci mechaniczne przykładowych stopów umacnianych wydzieleniowo w porównaniu z właciwociami metali bazowych tych stopów Stop/metal bazowy R m [MPa] R p0,2 [MPa] A 5 [%] HV CuBe2Ni Cu 1200 250 1100 35 2 50 340 40 AlCu4Mg1 (PA6) Al 440 100 290 30 16 40 170 30 83

Trzeba pamita, e w całkowitym umocnieniu wydzieleniowym pewien udział ma równie umocnienie roztworowe, zwizane z obecnoci w sieci metalu bazowego atomów pierwiastka stopowego. Umocnienie mieszanin faz. W niektórych stopach, takich jak stopy elaza z wglem (stale, staliwa, eliwa), stopy miedzi (brzy aluminiowe) oraz stopy aluminium z krzemem (siluminy) druga faza nie powstaje nie przez wydzielenie z roztworu stałego ale jednoczenie z pierwsz, tworzc mieszaniny o rónej morfologii (płytkowej, prcikowej, nieregularnej). Takie mieszaniny, przy odpowiedniej ich budowie (np. takiej jak w stopach elaza z wglem, w których wystpuje płytkowa mieszanina plastycznego roztworu stałego wgla w elazie Fe-α i twardego wglika elaza o wzorze stechiometrycznym Fe 3 C mieszanina nazywana perlitem) umacniaj stop tworzc bariery na drodze dyslokacji. Im wikszy jest udział objtociowy takiej mieszaniny w stopie, tym wiksza jest jego wytrzymało i twardo i jednoczenie tym nisze s właciwoci plastyczne. Na rys. 4-16 pokazano wpływ udziału perlitu w strukturze stopu elaza z wglem na jego właciwoci. Dodatkowy wpływ na umocnienie ma równie stopie dyspersji mieszaniny, którego miar jest odległo midzypłytkowa s (rys. 4-17). Im szybciej chłodzony był stop, tym mniejsza jest odległo s, tym wiksza twardo i wytrzymało stopu. 84

HB 300 R m, R e [MPa] 1000 Z HB R m A, Z % 60 50 KCU [J/cm 2 ] 200 200 800 40 160 600 R e 30 120 100 400 20 80 0 200 0 A 10 KCU 50 100 Udział perlitu w strukturze, [%] 40 0 Rys. 4-16. Wpływ udziału perlitu w strukturze stopu Fe C na jego właciwoci mechaniczne R p0,2 MPa 900 800 R p0,2 = -85,9 + 8,3 s -1/2 700 600 500 cementyt ferryt s 50 70 90 110 130 s -1/2, mm -1/2 Rys. 4-17. Wpływ stopnia dyspersji s perlitu na granic plastycznoci stopu Fe-C o zawartoci 0,2% C 85

4. 3. 2. Umocnienie odkształceniowe Umocnienie odkształceniowe jest jednym z najstarszych sposobów podwyszania właciwoci mechanicznych materiałów metalicznych. Jego znaczenie polega na szerokim zakresie moliwych zastosowa i uzyskiwanych efektach ekonomicznych. Mianowicie, tego rodzaju umocnieniu mona poddawa wszystkie materiały podlegajce obróbce plastycznej na zimno, tj. metale czyste oraz stopy jednofazowe. Znaczenie ekonomiczne tej metody umacniania polega na tym, e umocnienie nastpuje samoczynnie w czasie kształtowania półwyrobu lub wyrobu bez dodatkowych zabiegów technologicznych. Odkształcenie plastyczne metalu, które powstaje podczas deformacji na zimno, powoduje zmian jego właciwoci fizycznych i mechanicznych. Zmiany te objawiaj si przede wszystkim wzrostem twardoci, granicy plastycznoci i wytrzymałoci na rozciganie, przy jednoczesnym spadku właciwoci plastycznych (rys. 4-18), jak równie zmianami właciwoci fizycznych obnieniem przewodnoci elektrycznej i gstoci. Granica plastycznoci, MPa 800 600 400 200 a) b) 0 stal niestopowa zawierajca 0,4%C mied 20 40 Odkształcenie, % mosidz 60 20 40 60 Odkształcenie, % Rys. 4-18. Wpływ stopnia odkształcenia plastycznego stali, mosidzu (Cu Zn) i miedzi na: a) granic plastycznoci; b) wydłuenie [3] Wielko odkształcenia plastycznego okrela ilociowo tzw. stopie odkształcenia g, który np. dla walcowania (patrz rys. 4-12) mona wyrazi jako procentow wzgldn zmian przekroju wyrobu według wzoru: Wydłuenie, % 60 50 40 30 20 10 0 stal mied mosidz 86

(4-2) w którym: g stopie odkształcenia plastycznego, S 0 przekrój pocztkowy wyrobu, S k przekrój kocowy wyrobu. Umocnienie i towarzyszce mu zmiany właciwoci metalu zachodzce na skutek odkształcenia plastycznego s rezultatem wzrostu iloci defektów struktury (rys. 4-13): wakansów, a przede wszystkim gstoci dyslokacji (od 10 6 10 8 cm -2 do 10 11 10 12 cm -2 ) i ich zablokowania. Poszczególne typy defektów niejednakowo wpływaj na róne właciwoci metali. Wzrost koncentracji wakansów powoduje wyrane zwikszenie opornoci elektrycznej, ale w znacznie mniejszym stopniu ni umocnienie roztworowe. Z kolei wzrost gstoci dyslokacji powoduje podwyszenie twardoci, granicy plastycznoci, wytrzymałoci na rozciganie materiału, przy jednoczesnym obni- eniu parametrów właciwoci plastycznych: wydłuenia, przewenia i udarnoci. Odkształcenie plastyczne jest zwizane, jak ju zaznaczono, z ruchem dyslokacji, tote wystpienie zjawiska utwardzenia oznacza, e w odkształconym metalu nastpuje wzrost oporu dla ruchu dyslokacji. Opór ten ronie w miar wzrostu gstoci dyslokacji, które blokuj si wzajemnie. W konsekwencji powoduje to obnienie plastycznoci i umocnienie materiału. Wskutek odkształcenia plastycznego i zwizanych z nim polizgów dyslokacji w poszczególnych ziarnach, nastpuje pewne wydłuenie równoosiowych ziaren w kierunku odkształcania (w przypadku małych stopni odkształcenia). Due stopnie odkształcenia powoduj powstanie struktury włóknistej, charakterystycznej dla drutów i blach (patrz rys. 4-12, rozdz. 4.2.) struktury o silnej anizotropii. 4. 3. 3. Umocnienie granicami ziaren Najwaniejszym czynnikiem metalurgicznym powodujcym umocnienie metali s granice ziaren. Orientacja krystalograficzna ziaren w metalach jest przypadkowa, wobec tego systemy łatwego polizgu (płaszczyzny i kierunki gsto wypełnione atomami) w poszczególnych ziarnach s równie przypadkowo zorientowane (patrz rys.4-11). Granica ziarna jest obszarem silnie zdefektowanym. Przemieszczenie si dyslokacji przez takie obszary jest niemoliwe. Z tego powodu granice ziaren skutecznie blokuj polizgi dyslokacji. Na granicach tworz si spitrzenia dyslokacji i dopiero odpowiednio duy przyrost naprenia umoliwia uruchomienie nowego systemu polizgu po drugiej stronie granicy (w innym ziarnie). Działanie umacniajce granic ziaren potguje si ze zmniejszeniem wielkoci ziarna. Wpływ wielkoci ziarna na granic plastycznoci okrela opracowana dowiadczalnie niezalenie przez Halla i Petcha zaleno: R e 0 1 2 = R + k d (4-3) w której: R 0 granica plastycznoci dla monokryształu, k stała materiałowa, d rednia wielko ( rednica ) ziarna. 87

Jej dowiadczaln weryfikacj dla stopu Fe-C o małej zawartoci wgla przedstawiono na rys. 4-19. 450 Wielko ziarna d [m] 110 40 16 10 6 4,5 3 2,5 +50 Granica plastycznoci Re[ MPa] 300 150 R e T p-k 0-50 -100-150 Temperatura przejcia Tp-k [ C] 5 10 15 20 d -1/2 [mm -1/2 ] Rys. 4-19. Wpływ wielkoci ziarna na granic plastycznoci i temperatur przejcia w stan kruchy stali zawierajcej 0,1% C [3] Rozdrobnienie ziaren powoduje nie tylko wzrost granicy plastycznoci metali, ale równie podwyszenie udarnoci oraz obnienie temperatury progu kruchoci (rys. 4-20), dlatego jest to najczciej stosowana metoda umacniania metali i ich stopów. Rozdrobnienie ziaren w stopach technicznych uzyskuje si rónymi metodami: W przypadku odlewów poprzez szybkie chłodzenie lub modyfikowanie. Modyfikowanie polega na wprowadzeniu do stopionego stopu niewielkich iloci nierozpuszczalnych i trudnotopliwych substancji (tlenków, azotków, itp.), które tak zmieniaj przebieg krzepnicia (stanowi zarodki krzepnicia), e odlew ma struktur drobnoziarnist; W przypadku odlewów oraz wyrobów przerabianych plastycznie, przeznaczonych do obróbki cieplnej poprzez hamowanie migracji (rozrostu ziaren) w czasie nagrzewania materiałów oraz odpowiednio szybkie chłodzenie; W przypadku metali czystych i stopów jednofazowych nadajcych si do przeróbki plastycznej na zimno poprzez odkształcanie plastyczne na zimno i nastpne wyarzanie powodujce odnowienie (rekrystalizacj) struktury. Ziarna zrekrystalizowanej struktury s tym mniejsze, im wikszy był stopie odkształcenia plastycznego materiału przed wyarzaniem. 88

4. 3. 4. Umocnienie przez przemian martenzytyczn Przemiana martenzytyczna jest przemian fazow przebiegajc w ciałach stałych, w warunkach szybkiego chłodzenia. Jest przemian bezdyfuzyjn prowadzc do zmiany struktury krystalicznej (a wic do zmiany sposobu ułoenia atomów w poszczególnych kryształach) bez zmiany składu chemicznego; dlatego jej przebieg nie jest zaleny od czasu, tylko od temperatury. Przemiana martenzytyczna zachodzi w stopach Fe C (tam była ona pierwiotnie poznana i opisana), w stopach metali nieelaznych, np. Mn Cu, Cu Zn, Cu Al, a take w czystych metalach polimorficznych, np. Ti, Zr. Najwiksze znaczenie ma w stopach Fe-C, w których osigany efekt umocnienia jest szczególnie wysoki i ma praktyczne zastosowanie. Ogólnie przemiana martezytyczna polega na regularnym przekształcaniu sieci krystalicznej fazy wyjciowej poprzez przemieszczenia atomów wzgldem swoich ssiadów na odległoci mniejsze od odległoci midzyatomowych. Realizowana jest zabiegiem obróbki cieplnej nazywanym hartowaniem. Hartowanie stopów Fe C polega na nagrzaniu do temperatury, w której stop ma struktur jednofazow roztworu wgla w Fe-γ, nazywanego austenitem i nastpnym szybkim ochłodzeniu w wodzie lub oleju. Struktura powstała w wyniku hartowania, o budowie listwowej lub płytkowej (iglastej), nosi nazw martenzytu. Poszczególne płytki martenzytu powstaj w austenicie stopniowo w miar obniania temperatury z bardzo du prdkoci rzdu 1000 m/s. Płytki powstałe na samym pocztku przemiany s najwiksze, zdeterminowane wielkoci ziaren austenitu (rys. 4-20). Nastpne s krótsze i układaj si lub przecinaj pod ktem 60 i 120. W zahartowanych wyrobach ze stopów Fe C korzystne s bardzo drobne płytki martenzytu. Jest to powód dla którego nie powinno si dopuszcza do rozrostu ziaren austenitu podczas nagrzewania przed przemian martenzytyczn. T 1 T 2 T 3 T 1 < T 2 < T 3 Rys. 4-20. Schemat tworzenia si płytek martenzytu w austenicie w miar obniania temperatury w zakresie temperatur rozpoczcia i koca przemiany [3] W stopach Fe C martenzyt jest roztworem stałym przesyconym wglem, którego atomy zajmuj pozycje midzywzłowe silnie deformujc sie. Dlatego jest to struktura twarda i krucha w stopniu zalenym od zawartoci wgla w stopie (rys. 4-21). Jak wida na rys. 4-21 umocnienie poprzez hartowanie objawia si wysok granic pla- 89

stycznoci. Jednak stal po zahartowaniu na martenzyt nie nadaje si jeszcze do uytku ze wzgldu na wysokie naprenia powstałe wskutek bardzo szybkiego chłodzenia oraz zajciem samej przemiany. Naprenia te mog powodowa samoistne powstawanie pkni w materiale. Ponadto uzyskanym wysokim własnociom wytrzymało- ciowym towarzysz bardzo niskie właciwoci plastyczne i udarno. 2000 1000 Granica plastycznoci R0,6, MPa 1600 1200 800 400 R 0,6 HV 800 600 400 200 Twardo, HV 0 0,2 0,4 0,6 Zawarto wgla, % 0,8 1,0 0 Rys. 4-21. Zaleno twardoci oraz umownej granicy plastycznoci zahartowanego stopu Fe- C (o strukturze martenzytu ) od zawartoci wgla Dlatego bezporednio po hartowaniu stosuje si dodatkowy zabieg obróbki cieplnej wyarzanie nazywane odpuszczaniem. Odpuszczanie polega na nagrzaniu zahartowanego stopu Fe C do temperatury z zakresu 200-600 C i ponownym, tym razem wolnym ochłodzeniu. W wyniku tego zabiegu umocnienie uzyskane w wyniku hartowania zmniejsza si, tym silniej im wysza jest temperatura odpuszczania, ale poprawia si plastyczno i cigliwo materiału (rys. 4-22). Dobór temperatury odpuszczania zaley od warunków eksploatacji hartowanych elementów; gdy wymagana jest wysoka twardo i odporno na cieranie odpuszczanie przeprowadza si w temperaturze około 200 C, gdy wymagana jest wysoka sprysto - około 400 C, gdy wymagana jest wysoka odporno na obcienia dynamiczne - około 600 C. Naley przy tym pamita, e o właciwociach zahartowanej i odpuszczonej stali decyduje wyj- ciowy efekt hartowania zaleny od zawartoci wgla w stali. Hartowanie połczone z odpuszczaniem stanowi wic moliwo kształtowania wła- ciwoci mechanicznych stopów elaza z wglem w szerokim przedziale, w tym wanego parametru w postaci stosunku R e /R m, na danym poziomie. 90

R m, R e, MPa 1800 HRC HRC 60 50 40 1400 30 20 1000 600 200 0 200 400 A R m Re KCU 600 KCU, MJ/m 2 A, % 0,2 0,1 0 Rys. 4-22. Zaleno właciwoci mechanicznych stopu zawierajcego 0,45% C od temperatury wyarzania odpuszczajcego 91

4. 4. Klasyfikacja materiałów metalicznych Metale s materiałami charakteryzujcymi si wyłcznym lub dominujcym wizaniem metalicznym, zapewniajcym im nastpujce właciwoci mechaniczne i fizyczne: plastyczno; zdolno do trwałych odkształce pod wpływem przyłoonych obcie, dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, dodatni temperaturowy współczynnik rezystywnoci (oznacza to, e opór elektryczny ronie wraz ze wzrostem temperatury), połysk metaliczny pozwalajcy na odbijanie promieni wietlnych od wypolerowanej powierzchni. Metale otrzymywane s w procesach metalurgicznych z rud, zawierajcych na ogół ich tlenki. Procesy te polegaj na redukcji, w wyniku której dochodzi do ekstrakcji metalu z rudy, oraz na rafinacji, pozwalajcej na usunicie pozostałych zanieczyszcze z metalu. Metale o znaczeniu technicznym (w tym take ich stopy) dzieli si zwykle na dwie grupy: 1. elazo i stopy elaza, w tym: stale, stopy elaza z wglem i innymi pierwiastkami, przerobione plastycznie; zawarto wgla poniej 2,11%, staliwa, stopy elaza o składzie chemicznym zblionym do stali w stanie lanym, tzn. w postaci odlewów, eliwa (odlewnicze stopy elaza z wglem i innymi pierwiastkami; zawarto wgla powyej 2,11%, 2. Metale nieelazne i ich stopy, obejmujce wszystkie inne, ni elazo, pierwiastki metaliczne i stopy na ich osnowie, a przede wszystkim te o najszerszym zastosowaniu: mied i stopy miedzi (brzy, mosidze, miedzionikle), aluminium i jego stopy (durale, siluminy), magnez i jego stopy, nikiel (nadstopy) oraz tytan i jego stopy. 4. 4. 1. Stopy elaza Stopy elaza stanowi ponad 90% (masowych) obecnie stosowanych materiałów metalicznych. Surowcem wyjciowym do ich produkcji jest ruda zawierajca tlenki elaza Fe 2 O 3 i Fe 3 O 4. Tlenki elaza s redukowane do elaza w wielkim piecu hutniczym przez tlenek wgla pochodzcy z wysokokalorycznego koksu, który razem z rud ładowany jest do pieca hutniczego. Produktem reakcji w wielkim piecu jest surówka zawierajca oprócz elaza około 4% wgla 2% krzemu, 2% manganu oraz około 0,08 % fosforu i siarki. Surówka jest materiałem wyjciowym do produkcji stali (staliw) i 92

eliw. Zamiana surówki w stal polega na obnieniu stenia wgla, manganu i krzemu a take fosforu i siarki w tlenowych piecach konwertorowych. Jedn z miar jakoci stali jest łczna ilo szkodliwych zanieczeszcze pozostajcych w stali, do których nale: fosfor i siarka oraz tlen, wodór i azot. Surówka przetopiona ze złomem jest materiałem wyjciowym do produkcji eliw. elazo jest metalem sztywnym i cikim; jego moduł Younga równy jest 206 GPa, gsto wynosi 7,87 Mg/m 3 a temperatura topnienia 1538 C. Wytrzymało na rozciganie elaza wynosi ok. 250 MPa, granica plastycznoci R e =180 MPa przy wysokiej plastycznoci: A = 50%, Z = 80%. Jest pierwiastkiem polimorficznym. Do temperatury 912 C wystpuje jako Fe- o sieci regularnej przestrzennie centrowanej (A2), w zakresie temperatur od 912 do 1394 C jako Fe-γ o sieci regularnej płasko centrowanej (A1). 4.4.1.1. Stale (staliwa) Stal jest przerobionym plastycznie stopem elaza z wglem, zawierajcym do 2,11% C oraz inne pierwiastki pochodzce z procesu metalurgicznego (nazywane domieszkami), lub dodawane celowo (nazywane s wówczas pierwiastkami stopowymi). Tak samo zdefiniowane stopy, ale stosowane w postaci odlewów, nazywane s staliwami. Zawarto wgla w stali decyduje w pierwszej kolejnoci o jej mikrostrukturze i wła- ciwociach mechanicznych. Wgiel stopiony z elazem tworzy z nim, w stanie stałym, roztwory midzywzłowe (atomy wgla zajmuj luki midzy atomami elaza). Rozpuszczalno wgla w elazie zaley od sieci krystalograficznej elaza, poniewa od tego zale wymiary luk midzy atomami. W odmianie Fe-α maksymalnie moe si rozpuci 0,02% C, podczas gdy w odmianie Fe-γ około 100 razy wicej. Roztwór stały wgla w elazie α nosi nazw ferrytu a w elazie γ austenitu. Pozostała (poza rozpuszczonym w ferrycie) cz wgla w stali tworzy faz krystaliczn Fe 3 C, nazywan cementytem. Ferryt jest faz o niewiele wyszych właciwociach wytrzymałociowych od czystego elaza mikk i plastyczn, podczas gdy cementyt jest twardy i kruchy (jego twardo wynosi około 800 HB). Obie fazy tworz mikrostruktury wikszoci stali, a ich wzgldny udział ma wpływ na właciwoci mechaniczne. Stale o małym steniu wgla (ok. 0,1%) maj mikrostruktur ferrytu (rys -4-23a). Przy wikszych zawartociach wgla w strukturze pojawia si, obok ferrytu, perlit. Perlit jest mieszanin dwóch faz, ferrytu i cementytu, w proporcji 88,5% mas. ferrytu i 11,5% mas. cementytu. Widoczny jest w postaci obszarów (kolonii) utworzonych przez naprzemianległe pasemka przecitych płytek ferrytu i cementytu. W stalach o zawartoci ok. 0,4% C udziały ferrytu i perlitu w strukturze stali s zblione. W stali o steniu około 0,6-0,7% C ziarna ferrytu otaczaj kolonie perlitu (rys. 4-23b). Mikrostruktur zbudowan z samego perlitu ma stal o steniu 0,77% C (rys. 4-23c). Wła- ciwoci perlitu s zalene od dyspersji płytek cementytu (rys. 4-17), np. jego twardo moe zmienia si od 220 do 450 HB. 93

a) b) c) Rys. 4-23. Mikrostruktury stali: a) ferrytyczna, b) jasne ziarna ferrytu wokół kolonii perlitu, c) perlityczna. Pow. 500x Porównujc właciwoci ferrytu i perlitu jest zrozumiałe pozyskiwanie wytrzymałoci stali kosztem jej plastycznoci i odwrotnie. Wzrost zawartoci wgla zwiksza udział perlitu w strukturze. Wzrasta wic wytrzymało i twardo stali ale maleje plastyczno (A, Z), poniewa ubywa plastycznego ferrytu. im wicej jest wgla w stali, tym wikszy jest udział cementytu w mikrostrukturze, i tym wysze s właciwoci wytrzymałociowe, a nisze plastyczne i mniejsza cigliwo (rys. 4-16). Mikrostruktura ferrytyczno-perlityczna jest typowa dla stali konstrukcyjnych, które spełniajc wymagania dotyczce właciwoci wytrzymałociowych musz mie odpowiednio wysok plastyczno i cigliwo. Mikrostruktura perlityczna charakteryzuje stale narzdziowych, od których wymagana jest przede wszystkim wysoka twardo a tym samym odporno na cieranie. Domieszki pochodzce z procesu metalurgicznego to: krzem, mangan, aluminium nazywane s one domieszkami zwykłymi a dodawane s do stali w celu jej odtlenienia; siarka i fosfor oraz tlen, wodór i azot nazywane s zanieczyszczeniami, ich zawarto jest celowo obniana ze wzgldu na ich negatywny wpływ na właciwoci stali, ale całkowite ich usunicie jest ekonomicznie nieopłacalne, a i technicznie niemoliwe. Zawarto domieszek w stali jest ograniczana do iloci, przy której ich wpływ na wła- ciwoci mechaniczne uwaa si za nieistotny. Pierwiastki stopowe wprowadzane s do stali celowo, dla nadania jej okrelonych właciwoci technologicznych lub specjalnych, jak np. odpornoci na: korozj, pełzanie, cieranie i wysokie temperatury. Do najczciej stosowanych dodatków stopowych s zaliczane: chrom (Cr), mangan (Mn), krzem (Si), nikiel (Ni), molibden (Mo), wanad (V), wolfram (W) i bor (B). W zalenoci od czystoci (zawartoci wtrce niemetalicznych) oraz tolerancji składu chemicznego i właciwoci mechanicznych norma PN-EN 10020:2002U rozrónia nastpujce rodzaje stali: 94

Stale Stale niestopowe Stale stopowe Stale niskostopowe Zawarto 1 pierw. 2%, suma zaw. 3,5% Stale redniostopowe Zaw. 1 pierw. 2-8%, suma zaw. 3,5-12% Stale wysokostopowe Zaw. 1 pierw. 8%, suma zaw. 12-55% Ta sama norma PN-EN 10020:2002U przewiduje równie klasyfikacj podstawowych rodzajów stali podług właciwoci i zastosowania: Stale niestopowe: podstawowe; stale wytwarzane w procesie stalowniczym bez dodatkowych zabiegów, nie przeznaczone do obróbki cieplnej, którym nie stawia si specjalnych wymaga jakociowych, jakociowe; stale bez okrelonych wymaga dla stanu obrobionego cieplnie lub pod wzgldem zanieczyszcze wtrceniami niemetalicznymi, o wyszych wymaganiach jakociowych. specjalne; stale o wyszych wymaganiach, o wyszym stopniu czystoci; w wikszoci stale przeznaczone do hartowania i odpuszczania, którym stawia si specjalne wymagania dotyczce właciwoci mechanicznych, technologicznych, fizycznych lub składu chemicznego. Stale stopowe: jakociowe; stale, do których stosuje si te same kryteria klasyfikacji, jak dla stali niestopowych jakociowych, z uwzgldnieniem dodatkowych wymaga co do zawartoci pierwiastków; nie s przeznaczone hartowania. Podklasy tych stali to: stale konstrukcyjne drobnoziarniste, stale elektrotechniczne, stale na szyny i obudowy górnicze, stale na wyroby płaskie walcowane, stale z dodatkiem miedzi, stale krzemowo-manganowe na spryny. specjalne; stale, którym przez dokładne regulowanie składu chemicznego i sterowanie procesem produkcyjnym nadaje si zrónicowane właciwoci przetwórcze i uytkowe. Podklasy tych stali to: stale odporne na korozj (nierdzewne), stale szybkotnce (na narzdzia skrawajce), 95

stale innych grup: konstrukcyjne, maszynowe, aroodoporne (odporne na korozj w wysokich temperaturach), arowytrzymałe (odporne na pełzanie), stale do pracy w niskich temperaturach, narzdziowe, na łoyska toczne, stale odporne na cieranie, o szczególnych właciwociach fizycznych. W zalenoci od przeznaczenia stali rozrónia si: 1. Stale konstrukcyjne niestopowe oraz stopowe o podwyszonej wytrzymałoci przeznaczone do obróbki cieplnej i utwardzajcej powierzchniowej, stale sprynowe, stale łoyskowe, 2. Stale narzdziowe twarde, odporne na cieranie stale niestopowe oraz stopowe przeznaczone do pracy na zimno, na gorco, jak równie stale szybkotnce, 3. Stale stopowe o specjalnych właciwociach odporne na utlenianie i korozj elektrochemiczn, odporne na pełzanie, oraz stale o szczególnych właciwociach fizycznych. Przykłady gatunków stali reprezentujce wyej wymienione grupy, ich oznacze według norm PN i PN-EN oraz właciwoci podano w Aneksie. Wynikajce z klasyfikacji szerokie spektrum gatunków stali i moliwoci ich zastosowa, jest moliwe dziki zastosowaniu wymienionych w poprzednim rozdziale metod umacniania (kształtowania mikrostruktury). Wpływa to na właciwoci wytrzymałociowe poszczególnych gatunków stali. Ilustracj tego s zestawione na rys. 4-24 właciwoci stali o rónym składzie chemicznym i o rónej mikrostrukturze, z wła- ciwociami czystego elaza. Widoczna jest tu wymieniana ju wielokrotnie cecha właciwoci wytrzymałociowych materiału: wzrostowi wytrzymałoci na rozciganie czy granicy plastycznoci towarzyszy usztywnienie materiału, uwidoczniajce si we wzrocie twardoci i spadku cech plastycznych (wydłuenia). Stale stopowe maraging (stale martenzytyczne utwardzane wydzieleniowo) s przykładem stali, w których wykorzystano wszystkie, omówione w rozdziale 4.3 mechanizmy umocnienia osigajc w ten sposób granic plastycznoci powyej 2500 MPa przy wydłueniu 5% (rys. 4-24). 96

3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1 2 3 Re [MPa] 4 5 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 A5 [%] 4 5 Rys. 4-24. Porównanie granicy plastycznoci i wydłuenia wybranych stali z właciwociami czystego elaza: 1 Fe 99,965% (tzw. elazo Armco); 2 stal niskowglowa, niestopowa; 3 stal niskostopowa; 4 stal stopowa po obróbce cieplnej; 5 stal maraging 4.4.1.2. eliwa eliwa s odlewniczymi stopami elaza z wglem, zawierajcymi ponad od 2,5 do 4,0 % C oraz od 0,4 do 3,0% krzemu. Pozostałe domieszki to mangan oraz zanieczyszczenia w postaci fosforu i siarki. Nazwa stopy odlewnicze oznacza, e kocowy kształt jest nadawany wyrobom przez wlanie ciekłego metalu do formy o okrelonym kształcie (proces ten nazywa si odlewaniem). Z powodu wikszej zawartoci wgla oraz krzemu mikrostruktura eliw róni si od mikrostruktury stali wystpowaniem grafitu. Grafit jest faz mikk i o bardzo niskiej wytrzymałoci, dlatego z punktu widzenia właciwoci wytrzymałociowych eliwa, jego wydzielenia mog by traktowane jako pustki w materiale. Z tego powodu kształt, ilo i sposób rozmieszczenia grafitu decyduje o wytrzymałoci na rozciganie i właciwociach plastycznych eliw (które generalnie s znacznie nisze, ni w przypadku stali). W zalenoci od metody wytwarzania, grafit moe mie posta płatków, kulek lub kłaczków. Grafit płatkowy o ostrych krawdziach najsilniej obnia wytrzymało na rozciganie i właciwoci plastyczne eliwa (w porównaniu z właciwociami stali o takiej samej mikrostrukturze, co osnowa eliwa). eliwa o małych, kulistych wydzieleniach grafitu, równomiernie rozmieszczonych, maj najlepsze właciwoci plastyczne a właciwoci wytrzymało- ciowe porównywalne ze stalami. 97

Norma PN-EN 1560 wyrónia trzy podstawowe rodzaje eliw w zalenoci od postaci grafitu: eliwa eliwa szare Grafit płatkowy R m = 100-350 MPa A 1% eliwa sferoidalne Grafit kulkowy R m = 350-900 MPa A = 2-22% eliwa cigliwe Grafit kłaczkowy R m = 300-800 MPa A = 1-12% Podstaw podziału kadego rodzaju eliwa na róne gatunki jest granica wytrzymało- ci na rozciganie oraz wydłuenie, zalene od mikrostruktury osnowy, która moe by ferrytyczna, ferrytyczno-perlityczna lub perlityczna. Przykłady poszczególnych gatunków eliw, ich oznacze wg PN-EN oraz własciwoci podano w Aneksie. Do eliw, podobnie jak do stali, wprowadza si pierwiastki stopowe w celu nadania im podanych właciwoci, jak np. cigliwo, wytrzymało, bd te odporno na korozj, na pełzanie, czy na cieranie. eliwa takie nosz nazw eliw stopowych. Pomimo małej wytrzymałoci na rozciganie oraz małej cigliwoci, eliwa s atrakcyjnym materiałem ze wzgldu na nisk cen, dobr wytrzymało na ciskanie, du zdolno do tłumienia drga, łatwo nadawania skomplikowanych kształtów (ze wzgldu na nisk temperatur topnienia i mał lepko ciekłego eliwa). 4. 4. 2. Stopy metali nieelaznych Stopy metali nieelaznych s to zarówno stopy odlewnicze, jak i stopy do przeróbki plastycznej, tworzone na osnowie metali innych, ni elazo. Najczstsze zastosowanie przemysłowe znajduj stopy na osnowie: aluminium, miedzi, niklu, kobaltu, tytanu i magnezu. 4.4.2.1. Aluminium i jego stopy Głównym surowcem do otrzymywania aluminium jest boksyt, ruda zawierajca wodorotlenki aluminium. Z rudy rónymi technologiami otrzymuje si tlenek aluminium (Al 2 O 3 ) w postaci proszku a nastpnie czyste aluminium. Aluminium i jego stopy charakteryzuj si, w porównaniu ze stopami elaza: nisk temperatur topnienia (T t =660 C), mał gstoci (=2,74 Mg/m 3 ), bardzo du plastycznoci, dobr przewodnoci ciepln i elektryczn, dobr odpornoci na korozj, nisk temperatur topnienia, dobr udarnoci w niskich temperaturach. Stopy na osnowie aluminium s na ogół stopami wieloskładnikowymi. Najogólniej ze wzgldu na sposób wytwarzania dzieli si je na: 98

stopy odlewnicze (PN-EN 1780) stopy do przeróbki plastycznej. (PN-EN 573) Stopy odlewnicze: wysokokrzemowe, tzw. siluminy, zawierajce 4-30% Si oraz inne dodatki, takie jak Cu, Mn, Mg i Ni; stopy o bardzo dobrych właciwociach odlewniczych, małym skurczu odlewniczym i niewielkim współczynniku rozszerzalnoci cieplnej, stosowane s na odlewy czci maszyn, wyrobów galanteryjnych, a przede wszystkim na odlewy czci silników spalinowych; stopy aluminium z miedzi, o zawartoci 7-12 % Cu, tasze i bardziej wytrzymałe od wysokokrzemowych, ale o gorszych właciwociach odlewniczych; stopy aluminium z magnezem, zawierajce do 10% Mg, charakteryzujce si bardzo dobr odpornoci na korozj oraz korzystnymi właciwociami fizycznymi i wytrzymałociowymi, z czym zwizane jest ich zastosowanie zarówno na odlewy czci samolotów, armatury okrtowej i chemicznej, jak i na elementy dekoracyjne. Stopy do przeróbki plastycznej: stopy z magnezem, zawierajce do 5% Mg, bardzo plastyczne, odporne na korozj, dobrze spawalne oraz bardzo lekkie, co daje im zastosowanie na czci w przemyle lotniczym i okrtowym, a take w urzdzeniach przemysłu spo- ywczego i chemicznego, stopy z manganem (zwykle około 1% Mn) odznaczajce si do du odpornoci na korozj i dobr spawalnoci dziki czemu maj zastosowanie na spawane zbiorniki na ciecze i gazy oraz urzdzenia produkcyjne i transportowe w przemyle chemicznym i spoywczym; stopy z miedzi i magnezem tzw. durale miedziowe z dodatkiem Mn lub Fe bd te Si, dajce si bardzo dobrze kształtowa poprzez przeróbk plastyczn oraz umacnia wydzieleniowo. Stosowane s na czci maszyn, w przemy- le samochodowym, w kolejnictwie, w przemyle lotniczym, jak i w budownictwie; zastrzeenia do ich stosowania odnosz si do ich nie najlepszej odpornoci na korozj; stopy z miedzi, magnezem i cynkiem tzw. durale cynkowe, z dodatkiem Mg i Cu, odznaczaj si najlepszymi właciwociami sporód wszystkich stopów aluminium (rys. 4-25) w stanie po obróbce cieplnej, dajcej efekt umocnienia dyspersyjnego; podobnie jak durale miedziowe, wykazuj słab odporno korozyjn, std te podobny jest ich obszar zastosowa. Ogólnie mona powiedzie, e powszechnie znanym zastosowaniem aluminium jest elektrotechnika, opakowania i folie itp. Stopy na osnowie Al znajduj natomiast główne zastosowanie w ogólnie rozumianym przemyle transportowym z racji małej gstoci ( ρ Al 0, 35 ρ Fe ) i relatywnie dobrych właciwoci mechanicznych i technologicznych. Inny obszar zastosowa Al i jego stopów to przemysły spoywczy, che- 99