Budowa metali

​Budowa metali (struktura)

​Metale stanowią 23 układu okresowego pierwiastków. Z czego z inżynierskiego punktu widzenia szczególnie istotne znaczenie mają takie metale jak:

​

• Mangan

• Tytan

• Żelazo

• Nikiel

• Miedź

• Cynk

• Aluminium

• Ołów

• Wolfram

• Kobalt

• Wanad

​Budowa metali (struktura)

​- Aluminium charakteryzuje się dobrym stosunkiem wytrzymałości do gęstości. Jego niska temperatura topienia (660°C) pozwala na jego łatwe przetwarzanie, co w połączeniu z jego niską ceną czyni go atrakcyjnym materiałem.

- Tytan wykazuje zarówno bardzo wysoką wytrzymałość jak i bardzo wysoką temperaturę topienia (1668°C), co czyni go materiałem stosowanym szczególnie w lotnictwie i kosmonautyce, jednak jego wysoka cena ogranicza jego wykorzystanie w codziennym życiu.

​Budowa metali (struktura)

​ - Żelazo jest najważniejszym metalem w przemyśle, ponieważ wykorzystuje się je do produkcji stali, żeliwa oraz staliwa – wysokowytrzymałego materiału o bardzo szerokim zakresie właściwości oraz zastosowań.

- Nikiel to pierwiastek chemiczny, który występuje naturalnie w skorupie ziemskiej i charakteryzuje się srebrzystobiałym kolorem. Jego główne cechy to odporność na korozję oraz wytrzymałość, co sprawia, że znajduje swoje zastosowanie w produkcji stali nierdzewnej, baterii, stopów oraz elektroniki.

​Budowa metali (struktura)

​ - Miedź to czerwonobrązowy metal, który wykorzystywany  jest jako doskonały przewodnik elektryczny m.in. w przemyśle budowlanym, motoryzacyjnym, jubilerstwie i medycynie, dodatkowo jest niezbędnym pierwiastkiem w wielu dziedzinach przemysłu i życia codziennego.

Cynk to pierwiastek chemiczny, który głownie stosowany jest jako powłoka ochronna dla innych metali.  Ma zastosowanie w produkcji baterii, stopów, farb i materiałów budowlanych. Dodatkowo, jest istotnym pierwiastkiem w biologii, wspierającym układ odpornościowy i metabolizm.

​Budowa metali (struktura)

Mangan to srebrzystoszary metal chemiczny naturalnie występujący w skorupie ziemskiej, wykorzystywany przemysłowo jako składnik stopów metali, w szczególności do wytwarzania stali.

Ołów jest miękkim metalem i łatwo daje się formować, co sprawiało, że był używany w wielu różnych branżach i produktach, takich jak rury, kable, baterie, farby, a także amunicja,  ale ze względu na toksyczność jest teraz rzadziej stosowany.

​Budowa metali (struktura)

Kobalt jest twardym srebrnoszarym metalem występującym naturalnie w skorupie ziemskiej. Ma wiele zastosowań w przemyśle m.in. jako składnik stopów metali, magnesów, baterii i farb.

Wolfram to rzadki i cenny metal, który jest znany ze swojej twardości, wytrzymałości i odporności na korozję. Ponadto posiada jeden z najwyższych punktów topnienia spośród wszystkich pierwiastków. Wykorzystywany jest w elektronice, narzędziach, jubilerstwie i medycynie, a także w przemyśle lotniczym i kosmicznym.

​Budowa metali (struktura)

Wanad to srebrnoszary metal, występujący w przyrodzie w formie minerałów, który w przemyśle stosowany jest jako składnik stopów metali, w tym produkcji stali nierdzewnej.

​Budowa metali (struktura)

Budowa atomowa metali jest ściśle spójna i uporządkowana – nazywamy to budową krystaliczną. Dla porównania, atomy w szkle rozmieszczone są losowo. Odmienne sposoby uporządkowania atomów nazywamy sieciami krystalicznymi. Gęste i uporządkowane ułożenie atomów w sieci krystalicznej jest powodem dlaczego metale posiadają gęstość znacznie wyższą od innych materiałów
w jaki atomy metalu ułożone są w regularnej strukturze krystalicznej, co wpływa na ich właściwości fizyczne, takie jak przewodnictwo elektryczne, przewodnictwo cieplne, plastyczność i opór na korozję

​Budowa metali (struktura)

​Budowa krystaliczna

​Pojedynczy kryształ

​Budowa metali (struktura)

​Struktura nawet czystych metali nie jest zbudowana z jednego kryształu. Podczas krzepnięcia ciekłego metalu, proces ten odbywa się w wielu miejscach jednocześnie, powodując powstanie wielu kryształów obróconych względem siebie o różny kąt. Finalnie cały metal krzepnie, tworząc strukturę złożoną z losowo obróconych kryształów nazywanych jednego typu (jednej fazy) ziarnami.

​Krzepnięcie ciekłego metalu
Tutaj jest obraz zarejestrowany na żywo a nie schemat. Widać jak kryształy napotykają na siebie i tworzy się struktura zbudowana z wielu kryształów (ziaren).

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

​Budowa metali (struktura)

​

 Zakrzepnięty metal, struktura zbudowana z wielu kryształów (ziaren).

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

​Budowa metali (struktura)

​Stop

W celu poprawienia metalu często jest on łączony z dodatkowymi pierwiastkami, taki materiał, nazywamy stopem.
Stal jest stopem żelaza z innymi pierwiastkami, z których najważniejszym jest węgiel (do 2%). Ilość węgla w stali warunkuje jego właściwości wytrzymałościowe, poprzez wypełnianie luk między atomami w sieci krystalicznej żelaza.
Ilość tych luk, a zatem miejsca w sieci krystalicznej stali na węgiel jest ograniczona. W przypadku przekroczenia tej granicy zwanej graniczną rozpuszczalnością, taki pierwiastek zaczyna tworzyć w strukturze nowy składnik (nową fazę). Rozpuszczalność węgla w żelazie w temperaturze pokojowej jest wbrew pozorom bardzo niewielka, ponieważ wynosi w najlepszym wypadku max 0,02%. Powoduje to że typowe stale wykazują strukturę dwuskładnikową (dwufazową): żelaza nazywanego ferrytem oraz węglika żelaza nazywanego cementytem. Cementyt składa się z węgla w ponad 6 % i w stali tworzy zwykle ziarna charakteryzujące się naprzemiennym ułożeniem płytki ferrytu oraz cementytu. Takie ziarno nazywane jest perlitem. Im więcej węgla w stali tym stosunek perlitu do ferrytu jest większy. Ferryt w stali odpowiada za plastyczność, natomiast cementyt, a dokładniej węglik żelaza w nim zawarty odpowiada za twardość oraz wytrzymałość.

​Budowa metali (struktura)

​Budowa metali (struktura)

​Wygląd i budowa perlitu

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

​Budowa metali (struktura)

​Zmiana mikrostruktury stali wraz ze zwiększeniem się ilości węgla w stali

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

​Budowa metali (struktura)

​Wykres równowagi fazowe dla stali.

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

​Wykres równowagi fazowej i obróbka cieplna

Na strukturę stali wpływa nie tylko ilość węgla ale również temperatura. Zmiany obu czynników obrazuje się na tak zwanych wykresach równowagi fazowej

​Jeżeli jednak podgrzejemy stal węglową do temperatury około 730°C w ferrycie rozpoczyna się przemiana alotropowa – jego ułożenie atomów się zmienia.Podczas przebiegu przemiany alotropowej stali, w strukturze zaczynają powstawać nowe ziarna – austenit, stąd nazwa procesu to austenityzacja. Austenityzacja przebiega aż do przekroczenia temperatury zakończenia przemiany austenitycznej (alotropowej), która zależna jest od ilości węgla i innych pierwiastków stopowych w stali. Jak można odczytać z wykresu, austenit ze względu na inne ułożenie atomów jest w stanie rozpuścić nawet 2% węgla

​Budowa metali (struktura)

​Przemiana alotropowa stali (austenityzacja) dla stali o zawartości węgla 0.8%

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

​Budowa metali (struktura)

​Powolne chłodzenie stali (w tzw. warunkach równowagowych) prowadzi do przemiany odwrotnej niż podczas nagrzewania: austenit zamienia się w ferryt, a nadmiarowy węgiel wydziela się w postaci cementytu. Pozwala to zatem w pewien sposób „zresetować” mikrostrukturę i właściowości stali. Tego typu procesy, charakteryzujące się wolnym chłodzeniem noszą nazwę wyżarzania. W przypadku szybkiego ochłodzenia materiału o strukturze austenitycznej, nie jest on w stanie uzyskać swojej równowagowej struktury w krótkim czasie. Taka obróbka nazywana jest hartowaniem i silnie zmienia właściwości materiału poprzez wymuszenie powstania nowych faz w stali.

​Wykres CTPc. Pokazuje przy jakich szybkościach chłodzenia powstają jakie fazy i w jakiej kolejności

​Budowa metali (struktura)

​Obróbka cieplna

Obróbka cieplna jest dziedziną technologii obejmującą zabiegi mające na celu polepszenie lub dostosowanie właściwości materiału takich jak wytrzymałość, plastyczność, udarność, twardość, ścieralność, skrawalność.

Operacja obróbki cieplnej jest częścią procesu technologicznego, wykonywaną w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym. Wszystkie typy obróbki cieplnej składają się z trzech etapów:
Nagrzewania – ciągłego lub stopniowego podwyższania temperatury elementu obrabianego cieplnie.
Wygrzewania – wytrzymania elementu obrabianego cieplnie w danej temperaturze, aż do uzyskania pożądanego efektu.

Chłodzenia – ciągłego lub stopniowego obniżania temperatury. Zwykle wolnego dla wyżarzania (warunki równowagowe) oraz szybkiego dla hartowania (warunki nierównowagowe).

​Etapy obróbki cieplnej

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

​Budowa metali (struktura)

​Obróbka cieplna

Źródło: Englishsquare.pl Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

​Budowa metali (struktura)

​różne zakresy temperatur dla różnych typów wyżarzania

​Hartowanie i odpuszczanie

​wyżarzanie

​Budowa metali (struktura)

​Budowa metali (struktura)