Podstawowe materiały inżynierskie

Autor mechanika-obrobka.pl


Napisane 2017-12-22 10:44:31


Podstawowe materiały inżynierskie

Materiały – definicja i podział

Materiałami w ogólnym pojęciu nazywamy ciała stałe, o właściwościach umożliwiających ich wykorzystanie przez człowieka w zamierzonym celu (np. wykonania określonego produktu).

Materiały możemy podzielić na:

  • naturalne – takie, które wymagają jedynie obróbki kształtowej np. drewno, minerały, skały.
  • inżynierskie – wymagające specjalistycznych procesów wytwórczych w celu przystosowania ich do potrzeb technicznych.

 Podział materiałów inżynierskich - do podstawowych grup zaliczamy:

  • metale i ich stopy
  • polimery
  • materiały ceramiczne

 podział materiałów inżynierskich

Podział materiałów inżynierskich

Ponad to możemy dodać kompozyty które są tworzone poprzez połączenie dowolnych dwóch z wyżej wymienionych materiałów inżynierskich. Uzyskamy wtedy inne własności od właściwych dla każdego z materiałów składowych.

Metale i stopy metali

Metale są to materiały, charakteryzujące się wiązaniami metalicznymi.

profile stalowe
Stalowe pręty

Stop to mieszanina lub roztwór dwóch lub więcej pierwiastków metalicznych. Po za pierwiastkami metalicznymi występuje co najmniej jeden pierwiastek niemetaliczny, zwany dodatkiem stopowym. Ważną cechą stopów metali jest zachowanie ich metalicznego charakteru. Uzyskane stopy charakteryzują się również lepszymi właściwościami fizykochemicznymi i mechanicznymi niż czyste pierwiastki.

Najczęściej używanym stopem jest stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, czyli stal.

Własności metali i stopów:

  • dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne
  • połysk metaliczny
  • plastyczność
  • dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności

Stal – podstawowe pojęcia, zastosowanie i system oznaczania

Stal jest to stop żelaza z węglem, o zawartości węgla do 2% i innymi pierwiastkami, otrzymywany w wyniku procesu odlewania i następnej obróbki plastycznej. Udział innych pierwiastków chemicznych daje nam podział stali na stal niestopową (węglową) i stal stopową.

Na właściwości stali węglowej najistotniejszy wpływ wywiera węgiel, który decyduje o własnościach mechanicznych stali. Pozostałe pierwiastki jakie się znajdują w tym stopie pochodzą z przerobu hutniczego lub są zanieczyszczeniami. Domieszki pełnią różną role, na przykład fosfor i siarka powodują kruchość stali, a mangan powoduje gruboziarnistość. W zależności od procentowej ilości węgla w mieszaninie, stal dzielimy na:

  • niskowęglowe – zawartość węgla do około 0,3%,
  • średniowęglowe – zawartość węgla od 0,3 do 0,6%,
  • wysokowęglowe – zawartość węgla powyżej 0,6%.

przykład zastosowania stali węglowej
Patelnie wykonane ze stali węglowej

Stal stopowa to stal, do której celowo wprowadzamy pierwiastki stopowe, aby nadać im wymagane własności. Najczęściej stosujemy mangan, krzem, chrom, nikiel, wolfram, molibden, wanad. Dodanie pierwiastków stopowy powoduje określone zmiany strukturalne, wzrost hartowności czy też ułatwia obróbkę cieplną. Ze względu na procentowe stężenie pierwiastków stale stopowe dzielimy na:

  • niskostopowe – gdzie stężenie jednego pierwiastka nie przekracza 2%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%,
  • średniostopowe – stężenie jednego pierwiastka przekracza 2%, ale nie przekracza 8%, albo suma pierwiastków łącznie nie przekracza 12%,
  • wysokostopowe – stężenie jednego pierwiastka przekracza 8%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 55%.

Podstawowe rodzaje stali:

  • konstrukcyjna – używana do budowy konstrukcji stalowych i części urządzeń, maszyn ogólnego przeznaczenia,
  • sprężynowa – używana do produkcji resorów, sprężyn i drążków skrętnych,
  • na łożyska toczne – do wytwarzania łożysk tocznych,
  • narzędziowa – używana do produkcji narzędzi lub elementów przyrządów pomiarowych,
  • szybkotnące – wykorzystywana do tworzenia narzędzi do obróbki skrawaniem przy dużych prędkościach skrawania

zastosowanie stali nierdzewnej
Bateria wykonana ze stali nierdzewnej

Oznaczanie stali

Oznaczanie stali według PN-EN 10027-1

Wyróżnia się dwie główne grupy znaków:

  • znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali,
  • znaki zawierające symbole wskazują na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne własności stali.

Oznaczenie stali według składu chemicznego

Według składu chemicznego wyróżnia się cztery podgrupy:

  • znak stali niestopowych o średniej zawartości Mn < 1%, składa się z umieszczonych kolejno po sobie: litery C i liczby będącej 100-krotną średnią wymaganą zawartością węgla na przykład C35,
  • stale niestopowe o średniej zawartości Mn > 1%, stale automatowe i stale stopowe o zawartości każdego pierwiastka stopowego do 5%, oznaczamy liczbą będącą 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla, symbolami pierwiastków chemicznych składników stopowych stali w kolejności malejącej zawartości pierwiastków i liczb oznaczających zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych w stali. Każda liczba oznacza odpowiednio średni procent zawartości pierwiastka pomnożony przez jego współczynnik i zaokrąglony do najbliższej liczby całkowitej. Liczby oznaczające zawartości poszczególnych pierwiastków stopowych należy oddzielić poziomą kreską. 55NiCrMoV6-2-2 jest to znak stali o średnim śladzie: 0,55%C, 1,5%Ni, 0,6%Cr, 0,2%Mo i 0,1%V.

wspołczynnik ustalania symboli liczbowych pierwsiatków
Współczynniki do ustalania symboli liczbowych pierwiastków

  • stale stopowe zawierające przynajmniej jeden pierwiastek stopowy w ilości większej niż 5%, oznaczamy literą X, liczbą będącą 100-krotną wymaganą średnią zawartością węgla, symbolami chemicznymi pierwiastków stopowych stali w kolejności malejącej zawartości oraz liczb oznaczających średni procent zawartości poszczególnych pierwiastków. Przykład: X5CrNiMo 17-12-2 jest to znak stali o składzie do 0,07%C, 17,5%Cr, 11,6%Ni, 2,25%Mo.
  • stale szybkotnące oznaczamy literami HS oraz liczbami oznaczającymi procentowe zawartości pierwiastków stopowych w kolejności: wolfram, molibden, wanad, kobalt. Przykładowo HS 2-9-1-8 to stal szybkotnąca o średniej zawartości 2%W, 9%Mo, 1%V i 8%Co.

Oznaczanie stali według zastosowania i własności

Znak stali jest oznaczony za pomocą liter i liczby, które odpowiednio oznaczają zastosowanie i własności mechaniczne.

  • S – stale konstrukcyjne

P – stale pracujące pod ciśnieniem

L – stal na rury przewodowe

E – stale maszynowe

po wyżej wymienionym zestawie liter, umieszcza się liczbę będącą minimalną granicą plastyczności w MPa np. S235, P460, E295 itp.

  • B – stale do zbrojenia betonu – po której podaje się liczbę będącą wymaganą minimalną wytrzymałością na rozciąganie np. B500.
  • Y – stale do betonu sprężonego,

R – stale na szyny,

po których umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną wytrzymałością na rozciąganie np. Y1770, R0900.

  • H – wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali o podwyższonej wytrzymałości – po której umieszcza się liczbę będącą wymaganą minimalną granicą plastyczności np. H420
  • D – wyroby płaskie ze stali miękkich przeznaczonych do kształtowania na zimno – po której umieszcza się:

C – dla wyrobów walcowanych na zimno,

D – dla wyrobów walcowanych na gorąco przeznaczonych do kształtowania na zimno,

X – dla wyrobów bez charakterystyki walcowania,

oraz dwa symbole cyfrowe lub literowa charakteryzujące stal np. DC03

  • T – wyroby walcowni blachy ocynkowanej – po której umieszcza się:

H – dla wyrobów o jednokrotnie redukowanej grubości – po której podaje się liczbę będącą wymaganą nominalną twardością według HR 30Tm,

Dla wyrobów o dwukrotnie redukowanej grubości – liczbę będąca wymaganą nominalną granicą plastyczności np. TH52, T660.

  • M – stale elektrotechniczne – po której podaje się:

Liczbę będącą 100-krotną wymaganą maksymalną stratnością w W/kg

Liczbę będącą 100-krotną nominalną grubością wyrobu w mm

Literę oznaczająca rodzaj blachy (A, D, E, N, S lub P)

Np. M430-50D

Oznaczanie stali według PN-EN 10027-2

Zgodnie z tą normą, każdy gatunek stali jest oznaczony także numerem, który można podać zamiast znaku stali. Numer stali zawiera 5 cyfr: 1.aabb, gdzie:

  • 1 – oznacza stal
  • aa – dwie cyfry oznaczające grupę stali
  • bb – dwie cyfry wyróżniające konkretny gatunek w grupie

Na przykład 1.4301 – oznacza gatunek stali austenitycznej

Sposoby kształtowania własności metali i stopów

Aby metal został obrobiony musi zostać najpierw otrzymany z rud, które najczęściej są tlenkami. Proces metalurgiczny polega zwykle na redukcji, czyli ekstrakcji metalu z rudy oraz rafinacji, która usuwa z metalu zanieczyszczenia.

proces metalurgiczny
Proces metalurgiczny

Gotowy materiał można obrabiać następującymi sposobami:

  • metody odlewnicze,
  • przetwórstwo plastyczne,
  • obróbka skrawaniem,
  • metalurgia proszków.

Metodą do kształtowania własności metali i stopów jest obróbka cieplna, czyli zespół zabiegów polepszających własności mechanicznych oraz fizyko-chemicznych, powodowane zmianami struktury w stanie stałym  w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania ośrodka.

Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności można wyróżnić różne rodzaje obróbki takie jak: obróbkę cieplno-mechaniczną, cieplno-chemiczną, czy też cieplno-magnetyczną.

Podstawowe rodzaje obróbki cieplnej:

  • wyżarzanie – polega na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi. W zależności od sposobu wyżarzania otrzymujemy różne własności np. ujednorodnienie składu chemicznego, polepszenie własności mechanicznych materiału, czy też usunięcie naprężeń własnych,
  • hartowanie martenzytyczne – polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej temperaturze i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej. Stale zahartowane charakteryzują się dużą twardością i wysokimi własnościami wytrzymałościowymi oraz niskimi własnościami plastycznymi i duża kruchością,
  • hartowanie bainityczne – taki sam proces jak przy hartowaniu martenzytycznym, ale chłodzimy z szybkością mniejszą od krytycznej, w celu uzyskania struktury bainitycznej. Struktura bainityczna zwiększa nam własności plastyczne i udarnośc stali,
  • odpuszczanie – polega na nagrzaniu zahartowanej stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej. Odpuszczanie powoduje usunięcie naprężeń hartowniczych,
  • przesycanie – polega na nagrzaniu stali do temperatury wyższej od granicznej rozpuszczalności w celu rozpuszczenia wydzielanego składnika , wygrzaniu w tej temperaturze i szybkim chłodzeniu. Wynikiem jest niewielkie zmniejszenie własności wytrzymałościowych, ale zwiększają się własności plastyczne,
  • starzenie – polega na nagrzaniu stopu przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. Efektem tego jest umocnienie, przejawiające się zwiększeniem własności wytrzymałościowych i zmniejszeniem plastyczności

Przejdź do kolejnej strony artykułu >