dowiedz się więcej o książce

Karol Przybyłowicz

nowoczesne
metaloznawstwo

Wydawnictwo Naukowe
AKAPIT
Kraków 2012
Recenzent wydań 3 ÷ 8 książki "Metaloznawstwo":
prof. dr hab. inż. Adolf Maciejny
Recenzenci bieżącego wydania:
prof. dr hab. inż. Jerzy Pacyna
dr hab. inż. Andrzej Dziadoń, prof. PŚk
Fotografia na pierwszej stronie okładki przedstawia mikrostrukturę żeliwa ADI (str. 181).
Trawienie odczynnikiem Beraha, światło spolaryzowane, pow. 500x. Fotografia wykonana
przez mgr inż. Janinę Radzikowską.
Utwór w całości ani we fragmentach nie może być powielany ani rozpowszechniany
za pomocą urządzeń elektronicznych, mechanicznych, kopiujących, nagrywających i innych,
bez pisemnej zgody posiadacza praw autorskich
Wydanie 9
Książka jest poszerzonym i uzupełnionym o obecny stan wiedzy oraz
obowiązujące normy, dziewiątym wydaniem pracy K. Przybyłowicza pod tytułem
„Metaloznawstwo”, które ukazywało się w latach: cz. I – 1977, cz. II – 1979 – Wyd. 1;
2007 – Wyd. 8
Książka dofinasowana przez Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego
Copyright© by Karol Przybyłowicz, Wydawnictwo Naukowe „Akapit”, Kraków 2012
Printed in Poland
ISBN 978-83-63663-03-2
Informacja o książce jest dostępna na stronie Wydawnictwa Naukowego Akapit:
www.akapit.krakow.pl
Książkę można nabyć drogą elektroniczną wysyłając zamówienie na adres:
[email protected]
Uwagi do Autora można kierować na adres: [email protected]
Nakład 1500 egz.
Ark. wyd. 38. Ark. druk. 27.
Wydawnictwo Naukowe „Akapit”, Kraków
tel./fax (012) 280 71 51; kom. 608 024 572
www.akapit.krakow.pl, e-mail: [email protected]
Spis treści
SPIS TREŚCI
4. Struktura rzeczywistych kryształów i ich
agregatów 40
4.1. Defekty punktowe 40
4.1.1. Wakancje i atomy międzywęzłowe 41
4.1.2. Atomy domieszek 42
4.2. Defekty liniowe (dyslokacje) 43
4.2.1. Dyslokacje krawędziowe
i śrubowe 43
4.2.2. Wektor Burgersa dyslokacji 45
4.2.3. Dyslokacje cząstkowe –
dysocjacja dyslokacji 46
4.2.4. Pętle dyslokacyjne 46
4.2.5. Ruch dyslokacji 47
4.2.6. Rozmnażanie się dyslokacji 48
4.3. Defekty powierzchniowe 49
4.3.1. Błędy ułożenia 50
4.3.2. Granice ziarn 50
4.3.3.Granice międzyfazowe 52
4.4. Pole naprężeń i wzajemne
oddziaływanie między defektami sieci 53
4.5. Materiały polikrystaliczne i ich
własności 54
4.5.1. Wpływ defektów powierzchniowych
na własności 54
4.5.2. Anizotropia własności polikryształów 56
Przedmowa 9
Jak się uczyć? 12
Tabela skrótów 13
Znaczenie symboli chemicznych pierwiastków –
liczba atomowa 14
Wstęp 15
1. Atom i jego budowa 17
1.1. Atomowa budowa materii 17
1.2. Układ okresowy pierwiastków
i klasyfikacja metali 20
1.2.1. Konstrukcja układu okresowego 20
1.2.2. Klasyfikacja metali 20
1.2.3. Własności metaliczne pierwiastków
a układ okresowy 22
1.3. Poglądy na wielkość atomu 23
2. Wiązania w kryształach 25
2.1. Siły spójności 25
2.2. Wiązanie jonowe 25
2.3. Wiązanie atomowe (kowalencyjne) 26
2.4. Wiązanie van der Waalsa (międzycząsteczkowe) 27
2.5. Wiązanie metaliczne 27
5. Fazy stopów i ich budowa 60
5.1. Stopy 60
5.2. Roztwory stałe 62
5.2.1. Roztwory stałe różnowęzłowe
(substytucyjne) 62
5.2.2. Roztwory stałe międzywęzłowe 63
5.2.3. Roztwory uporządkowane
(nadstruktury) 64
5.3. Fazy pośrednie 65
5.3.1. Fazy pośrednie kontrolowane przez
czynnik elektrochemiczny 66
5.3.2. Fazy pośrednie kontrolowane przez
czynnik wielkości atomów 67
5.3.3. Fazy pośrednie kontrolowane przez
czynnik stężenia elektronowego 68
5.3.4. Inne fazy pośrednie występujące
w stopach 69
3. Podstawy krystalografii metali 29
3.1. Pojęcie prostej, płaszczyzny i sieci
przestrzennej kryształu 29
3.2. Oznaczanie prostych i płaszczyzn
sieciowych kryształu 30
3.3. Układy krystalograficzne i typy sieci
przestrzennej 31
3.4. Elementy symetrii 32
3.5. Struktura krystalograficzna metali 33
3.6. Kwazikryształy 36
3.7. Polimorfizm – odmiany alotropowe
metali 36
3.8. Anizotropia własności kryształów 38
3
K. Przybyłowicz: Nowoczesne Metaloznawstwo
6.7. Układy poczwórne 110
5.4. Wpływ cząstek obcych faz na
umocnienie stopu 71
7. Krzepnięcie metali i stopów 112
7.1. Fazy gazowe i ciekłe – budowa
i własności 112
7.2. Mechanizm krystalizacji metali 114
7.2.1. Zarodkowanie 114
7.2.2. Wzrost zarodków 116
7.3. Krystalizacja stopów 119
7.4. Hodowanie monokryształów
i zorientowanych bikryształów metali 121
7.5. Krystalizacja i struktura wlewka
stalowego 123
7.5.1. Strefy strukturalne wlewka 123
7.5.2. Odlewanie ciągłe 124
7.5.3. Zjawiska towarzyszące
krystalizacji 126
7.6. Szkło metaliczne 126
6. Wykresy równowagi fazowej stopów 73
6.1. Podstawowe pojęcia z termodynamiki stopów 73
6.2. Reguła faz 74
6.3. Metody sporządzania wykresów
równowagi 75
6.4. Mieszanina faz 77
6.5. Układy podwójne 79
6.5.1. Układ z nieograniczoną rozpuszczalnością składników w stanie stałym 79
6.5.2. Układy z brakiem rozpuszczalności
składników w stanie stałym 81
6.5.3. Układ z ograniczoną rozpuszczalnością składników w stanie stałym 83
6.5.4. Układy z fazami międzymetalicznymi 89
6.5.5. Układy z przemianami
w stanie stałym 90
6.5.6. Układy z przemianami
alotropowymi składników 91
6.5.7. Układy z brakiem rozpuszczalności lub ograniczoną rozpuszczalnością
w stanie ciekłym 93
6.5.8. Zasady opisywania dwuskładnikowych wykresów równowagi
fazowej 94
6.5.9. Zasada interpretacji układów
równowagi za pomocą zmiany energii
swobodnej 95
6.5.10. Nierównowagowa krystalizacja
stopów podwójnych 95
6.5.11. Związek między własnościami
stopów podwójnych i układem
równowagi fazowej 97
6.6. Potrójne wykresy równowagi faz 99
6.6.1. Budowa wykresu 99
6.6.2. Układy o nieograniczonej
rozpuszczalności w stanie ciekłym
i stałym 102
6.6.3. Układy z mieszaniną
eutektyczną czystych składników 103
6.6.4. Układy z ograniczoną
rozpuszczalnością w stanie stałym 106
6.6.5. Układy ze związkiem
międzymetalicznym 107
6.6.6. Przekroje potrójnych wykresów
równowagi 108
8. Odkształcenie plastyczne metali 128
8.1. Poślizgowy ruch dyslokacji 128
8.2. Płaszczyzny i kierunki poślizgu 129
8.3. Odkształcenie przez bliźniakowanie 132
8.4. Umocnienie kryształów w wyniku odkształcenia 134
8.5. Umocnienie bikryształów – wpływ granic
ziarn na odkształcenie 137
8.6. Krzywa odkształcenia miękkiej
stali – wyraźna granica plastyczności 137
8.7. Kruchość 138
8.8. Nadplastyczność strukturalna metali 140
9. Zgniot i rekrystalizacja 142
9.1. Zgniot 142
9.2. Przemiany podczas wygrzewania
po zgniocie 144
9.2.1. Zdrowienie 144
9.2.2. Rekrystalizacja 146
9.2.3. Dynamiczne zdrowienie
i dynamiczna rekrystalizacja 148
9.2.4. Rozrost ziarn 150
9.2.5. Starzenie po zgniocie 152
9.3. Praktyczne znaczenie rekrystalizacji 152
10. Stopy żelaza z węglem 155
10.1. Żelazo i jego własności 155
10.2. Układ żelazo–węgiel 156
10.3. Fazy i składniki strukturalne układu
Fe-C i ich własności 161
4
Spis treści
12.1.2. Obróbka cieplno–plastyczna
stopów metali nieżelaznych 239
12.2. Wpływ OCP na strukturę stali 239
12.3. Wpływ OCP na własności stali 241
10.4. Podział stopów według układu
Fe–Fe3C 164
10.5. Stale niestopowe (węglowe) 167
10.5.1. Wpływ domieszek na
własności stali węglowych 168
10.5.2. Podział stali według metod
ich wytapiania i odtleniania 172
10.5.3. Podział stali według
przeznaczenia – zasady znakowania 173
10.6. Żeliwa 176
10.6.1. Czynniki wpływające na
tworzenie się grafitu 177
10.6.2. Struktura żeliw i jej wpływ na własności 179
10.6.3. Klasyfikacja żeliw szarych 180
10.6.4. Żeliwa jakościowe 180
10.7. Staliwo niestopowe 185
10.7.1. Klasyfikacja staliwa 185
10.7.2. Struktura staliwa 185
10.7.3. Własności staliwa 186
13. Stale stopowe i stopy o szczególnych
właściwościach fizycznych 243
13.1. Klasyfikacja stali stopowych 243
13.1.1. Klasyfikacja według norm 243
13.1.2. Klasyfikacja według
przeznaczenia 244
13.1.3. Klasyfikacja według struktury 244
13.1.4. Klasyfikacja według innych
kryteriów 245
13.2. Wpływ pierwiastków stopowych na
własności stali 245
13.2.1. Pierwiastki stopowe
w roztworach stałych 246
13.2.2. Pierwiastki stopowe
w wydzielonych fazach 253
13.3. Stale konstrukcyjne stopowe 255
13.3.1. Znakowanie stali stopowych
według PN i PN-EN 256
13.3.2. Stale niskostopowe
o podwyższonej wytrzymałości
i mikrostopowe 256
13.3.3. Stale konstrukcyjne do
ulepszania cieplnego 260
13.3.4. Stale do nawęglania 260
13.3.5. Stale do azotowania 262
13.3.6. Stale do hartowania
powierzchniowego 263
13.3.7. Stale sprężynowe i resorowe 263
13.3.8. Stale na łożyska toczne 264
13.3.9. Stale do pracy w obniżonych
temperaturach (kriogeniczne) 266
13.3.10. Stale do pracy w podwyższonych
temperaturach 266
13.4. Stale narzędziowe 267
13.4.1. Ogólna charakterystyka 267
13.4.2. Zasady znakowania stali
narzędziowych 267
13.4.3. Stale do pracy na zimno 268
13.4.4. Stale do pracy na gorąco 271
13.4.5. Stale szybkotnące 273
13.4.6. Materiały narzędziowe twarde
i supertwarde 276
13.5. Stale o szczególnych własnościach
fizycznych i chemicznych 278
13.5.1. Stale odporne na korozję 278
11. Obróbka cieplna stali 188
11.1. Podstawy teoretyczne obróbki
cieplnej 188
11.1.1. Pojęcia ogólne 188
11.1.2. Klasyfikacja rodzajów
obróbki cieplnej 189
11.1.3. Dyfuzja i jej rola 192
11.1.4. Zarodkowanie i kinetyka przemian
fazowych 196
11.1.5. Podstawowe przemiany
fazowe w stalach 197
11.2. Technologia obróbki cieplnej 216
11.2.1. Dobór temperatury i czasu
grzania 216
11.2.2. Naprężenia cieplne 217
11.2.3. Działanie atmosfery pieca na
metale 218
11.2.4. Operacje wyżarzania stali 219
11.2.5. Hartowanie stali 223
11.2.6. Odpuszczanie stali 230
11.2.7. Obróbka podzerowa 232
11.2.8. Utwardzanie wydzieleniowe 232
11.2.9. Wady powstające w procesie
obróbki cieplnej 234
12. Obróbka cieplno–plastyczna 238
12.1. Sposoby obróbki 238
12.1.1. Obróbka cieplno–plastyczna
stali 238
5
K. Przybyłowicz: Nowoczesne Metaloznawstwo
14.8.2. Powłoki chemiczne 333
14.8.3. Powłoki tlenkowe zol–żel 333
14.8.4. Powłoki konwersyjne 333
14.9. Obróbka laserowa i elektronowa 334
14.9.1. Obróbka laserowa 334
14.9.2. Obróbka elektronowa 337
14.10. Implantacja jonów 337
14.11. Powłoki hybrydowe 338
14.12. Zużycie warstwy wierzchniej 338
14.12.1. Zużycie ścierne (abrazyjne) 339
14.12.2. Zużycie erozyjne i udarowe 340
14.12.3. Korozja metali i zużycie
korozyjne 340
14.13. Badanie warstw wierzchnich 346
13.5.2. Stale do utwardzania
wydzieleniowego 283
13.5.3. Stale i stopy żaroodporne
i żarowytrzymałe 283
13.5 4. Staliwa stopowe 288
13.5.5. Stopy o szczególnych
własnościach magnetycznych 291
13.5.6. Stopy o założonej rozszerzalności
cieplnej i własnościach sprężystych 292
13.6. Wpływ pierwiastków stopowych na
własności stali 293
14. Metody inżynierii powierzchni 297
14.1. Obróbka nagniataniem 298
14.1.1. Nagniatanie mechaniczne 298
14.1.2. Nagniatanie elektromechaniczne
(termomechaniczne) 299
14.2. Obróbka tarciem 299
14.3. Obróbka cieplno – chemiczna stali 300
14.3.1. Nawęglanie 301
14.3.2. Azotowanie 308
14.3.3. Węgloazotowanie 313
14.3.4. Siarkowanie dyfuzyjne 315
14.3.5. Borowanie stali 315
14.3.6. Wytwarzanie warstw
wierzchnich ze związków 319
14.3.7. Metalizowanie dyfuzyjne 320
14.3.8. Zasady BHP przy obróbce
cieplno-chemicznej 323
14.4. Hartowanie powierzchniowe 323
14.4.1. Nagrzewanie płomieniowe 324
14.4.2. Nagrzewanie indukcyjne 324
14.4.3 Nagrzewanie kąpielowe 326
14.4.4. Nagrzewanie w elektrolicie 326
14.4.5. Nagrzewanie elektryczne
kontaktowo–oporowe 326
14.5. Napawanie 326
14.6. Metody natryskowe 327
14.6.1. Metalizacja natryskowa 327
14.6.2. Natryskiwanie elektroiskrowe 327
14.6.3. Natryskiwanie plazmowe 328
14.6.4. Natryskiwanie „zimnym
gazem” 329
14.6.5. Natryskiwanie detonacyjne 330
14.7. Wytwarzanie powłok z fazy gazowej
330
14.7.1. Naparowanie próżniowe 330
14.7.2. Rozpylanie 330
14.8. Powłoki otrzymywane z fazy stałej 331
14.8.1. Powłoki elektrolityczne 331
15. Metale nieżelazne i ich stopy 348
15.1. Znakowanie stopów metali
nieżelaznych 348
15.2. Aluminium i jego stopy 349
15.2.1. Aluminium 349
15.2.2. Stopy aluminium 349
15.3. Magnez i jego stopy 358
15.3.1. Magnez 358
15.3.2. Stopy magnezu 358
15.4. Tytan i jego stopy 362
15.4.1. Tytan 362
15.4.2. Stopy tytanu 363
15.5. Miedź i jej stopy 365
15.5.1. Miedź 365
15.5.2. Stopy miedzi 366
15.6. Nikiel, kobalt oraz ich stopy 382
15.6.1. Nikiel 382
15.6.2. Stopy niklu 383
15.6.3. Kobalt i jego stopy 383
15.7. Cynk i jego stopy 384
15.7.1. Cynk 384
15.7.2. Stopy cynku 385
15.8. Kadm i jego stopy 386
15.8.1. Kadm 386
15.8.2. Stopy kadmu 387
15.9. Cyna, ołów i ich stopy 387
15.9.1. Cyna i ołów 387
15.9.2. Stopy ołowiu z antymonem 388
15.9.3. Lutowia (spoiwa) 388
15.9.4. Stopy niskotopliwe 389
15.9.5. Stopy drukarskie 389
15.9.6. Stopy łożyskowe 390
15.10. Materiały inteligentne 392
15.10.1. Stopy z pamięcią kształtu 392
6
Spis treści
15.10.2. Materiały piezoelektryczne
i elektostrykcyjne 394
15.10.3. Materiały magnetostrykcyjne 394
15.11. Wolfram, molibden 395
15.12. Metale szlachetne 396
15.13. Metale rzadkie 397
15.14. Biostopy na bazie metali
nieżelaznych 399
15.15. Metale i stopy dla energetyki
jądrowej 400
16. Spieki, kompozyty i wyroby specjalne 402
16.1. Istota i rodzaje kompozytów 402
16.2. Wytwarzanie spieków 402
16.2.1. Istota metalurgii proszków 402
16.2.2. Prasowanie 403
16.2.3. Spiekanie 404
16.3. Wyroby wytwarzane metodą
metalurgii proszków 405
16.3.1. Spieki na bazie żelaza 405
16.3.2. Spieki na bazie metali
nieżelaznych 405
16.3.3. Spieki metalowo–ceramiczne 406
16.3.4. Intermetaliki 407
16.4. Kompozyty włókniste i warstwowe 408
16.5. Nanomateriały 410
16.6. Pianki metalowe i gazary 412
Aneks 414
Jednostki stosowane w badaniach
mechanicznych 414
Relacje między jednostkami różnych
układów 416
Niektóre stałe wyrażone w jednostkach SI 417
Literatura źródłowa i uzupełniająca 418
Skorowidz 421
7
Przedmowa
Pamięci moich Nauczycieli Profesorów
Władysława Łoskiewicza, Zygmunta Jasiewicza
i Tadeusza Malkiewicza
pracę tę poświęcam
Autor
PRZEDMOWA
Niniejszy podręcznik został opracowany na podstawie skryptów akademickich pt.
Metaloznawstwo, cz. I i II wydawanych przez Wydawnictwo Akademii Górniczo-Hutniczej
w Krakowie w latach 1977–1982. Pierwsze jego wydania różniły się od innych podręczników
z tej dziedziny tym, że oprócz aspektów praktycznych zawierały obszerną podbudowę
teoretyczną opartą na teorii dyslokacji. Miały m.in. wyodrębnione rozdziały poświęcone
obróbce cieplno-plastycznej, inżynierii powierzchni z uwzględnieniem nowoczesnych obróbek
powierzchniowych, takich jak laserowe, plazmowe, jonowe, implantacyjne, w złożu fluidalnym,
co było wówczas nowością. W kolejnych wydaniach wprowadzałem różne uzupełnienia
dotyczące nowych materiałów i technologii, np. szkieł metalicznych, stopów z pamięcią kształtu,
spieków i kompozytów, nanomateriałów, biostopów, a także nowych metod badania materiałów
(np. mechaniki pękania i korozji). Dokonywałem także zmian wynikających z nowelizacji norm,
wprowadzaniem norm europejskich, a także dla poprawy walorów dydaktycznych podręcznika.
W bieżącym wydaniu, wprowadziłem liczne uzupełnienia (np. nanokompozyty, pianki metalowe i gazary, intermetaliki, metale rzadkie, biostopy, materiały inteligentne, nowe stopy tytanu, magnezu i in.). Usunąłem rozdział „Metody badawcze” z wyjątkiem podrozdz. dotyczącego
korozji (został przeniesiony do rozdz. 14 – Metody inżynierii powierzchni), ponieważ ukazała
się na ten temat w Wyd. Pol. Świętokrzyskiej książka mojego autorstwa: „Metody badania tworzyw metalicznych” obejmująca większą ilość metod i w poszerzonym zakresie, a poza tym jest
dostępny skrypt z cyklu Repetytorium z materiałoznawstwa, cz. VII – „Metody badania materiałów metalowych”, wydany w Politechnice Świętokrzyskiej oraz książka „Materiałoznawstwo
w pytaniach i odpowiedziach”, w której jest rozdział poświęcony metodom badań. W przygotowaniu jest także książka – praca zbiorowa – pt. „Metody badawcze w inżynierii materiałowej”,
będąca III wydaniem, zmienionym i uzupełnionym, skryptu AGH pt. „Nowoczesne metody badawcze w metalurgii i metaloznawstwie”, w której są one omówione najszerzej. Zamiast metod
badawczych zamieściłem aneks, w którym są zawarte stosowane w książce jednostki charakteryzujące własności mechaniczne. Rozszerzony został także rozdz. 14. – Metody inżynierii powierzchni, w związku z burzliwym rozwojem tej dziedziny.
Ponieważ książka jest adresowana przede wszystkim do studentów pragnących się specjalizować w kierunku metaloznawstwa i inżynierii materiałowej, zawarte są w niej liczne odsyłacze
do literatury umożliwiającej rozszerzenie wiedzy w określonych dziedzinach, które mogą być
przydatne dla dyplomantów i doktorantów. Mogą z niej korzystać również studenci wydziałów
mechanicznych i pokrewnych. Jest też polecana dla słuchaczy studiów podyplomowych oraz inżynierów produkcyjnych pragnących zaktualizować swoją wiedzę.
W książce tej składy stopów są podawane przeważnie w procentach masowych (nawet
wówczas, gdy nie jest to zaznaczone), jeśli w atomowych – jest to zapisane: % at. W różnych
9
K. Przybyłowicz: Nowoczesne Metaloznawstwo
miejscach książki są podawane właściwości fizyczne metali. Często różnią się między sobą, ponieważ zostały zaczerpnięte z różnych źródeł. Postanowiłem nie ujednolicać tych danych, ponieważ nie wiadomo, które z nich są najbliższe rzeczywistych. Te rozbieżności są zapewne efektem niejednakowej czystości badanych metali lub precyzji aparatury i świadczą o stopniu trudności ich oznaczania.
W książce stosowane są skróty wyrazów, które powtarzają się bardzo często, np. rys., tabl.,
temp. własn., wz., zawart. i tp. (zestawiono je w tabelce). Zostały też wprowadzone skróty terminów tylko w jednym podrozdziale. Pozwoliło to zmniejszyć objętość książki i obniżyć jej cenę.
Z tego samego powodu zamiast nazw pierwiastków używane są symbole chemiczne. Dla osób,
które nie znają jeszcze znaczenia symboli pierwiastków metalicznych zamieszczono tabelkę,
w której są one uszeregowane alfabetycznie wraz z liczbami atomowymi. W bieżącym wydaniu,
tak jak i w poprzednich starałem się aktualizować normy, ale ulegają one ciągłym zmianom. Ich
aktualność można sprawdzić w Internecie na stronach www.pkn.pl,
Zachęcam także do korzystania z podręcznika nowego typu pt. „Materiałoznawstwo w pytaniach i odpowiedziach”, którego jestem współautorem (wydany przez WNT w 2000 i 2004 r.
oraz dodruk w 2007 r.) oparty na 7 skryptach akademickich pt. „Repetytorium z materiałoznawstwa” opracowanych przy współudziale syna Janusza (były wydawane przez Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach w latach 1994÷2004). Dwie części tego skryptu zostały
wprowadzone do Internetu, najpierw cz. 1 do Gophera, a następnie cz. 2. do sieci www1) na Politechnice Świętokrzyskiej.
Cytowane tu podręczniki oraz części „Repetytorium” wprowadzone do Internetu są elementami wyróżnionej Nagrodą Ministra nowej metody dydaktycznej. Polega ona na wykorzystaniu tradycyjnego podręcznika pt. „Metaloznawstwo” z obszerną literaturą uzupełniającą do
podstawowego przyswojenia wiedzy, a podręcznika komputerowego i książki pt. „Materiałoznawstwo w pytaniach i odpowiedziach” lub skryptów z cyklu „Repetytorium z materiałoznawstwa” do powtórki materiału przed egzaminem. Daje to gwarancję szybszego, bardziej gruntownego opanowania materiału przez studentów.
Myślę, że pomocna będzie też dla studentów instrukcja: „Jak się uczyć?” zamieszczona
po przedmowie. W toku ponad pięćdziesięcioletniej działalności dydaktycznej zauważyłem bowiem, iż wielu studentów nie umie się efektywnie uczyć, co odbija się ujemnie na efektach
kształcenia. Mam nadzieję, że instrukcja ta przyczyni się do lepszego opanowania zawartego
w podręczniku materiału.
Użytkowników podręcznika pragnących zapoznać się bardziej szczegółowo z teorią metaloznawstwa odsyłam do moich książek pt. „Podstawy teoretyczne metaloznawstwa” i „Strukturalne aspekty odkształcania metali” wydanych przez WNT lub do wydawanych wcześniej
skryptów „Metaloznawstwo teoretyczne”, które ukazały się w AGH w pięciu wydaniach oraz
„Fizyczne podstawy odkształcania metali” – dwa wydania. Poszerzona wiedza o metalach jest
zawarta w nowej książce – pracy zbiorowej, której jestem współautorem i współredaktorem pt.
„Inżynieria metali i ich stopów”, wydanej ostatnio przez Wyd. AGH, uznanej na Targach Książki ACADEMIA najlepszą książką techniczną – zachęcam do korzystania z niej, gdyż stanowi
kompendium wiedzy o metalach. Studenci wydziałów mechanicznych, którzy chcieliby poszerzyć swoją wiedzę o stopach żelaza mogą skorzystać z mojej książki „Inżynieria stopów żelaza”, w której są omówione nie tylko stale (wraz z ich obróbką plastyczną, cieplną i cieplno-plastyczną) ale i staliwa oraz żeliwa. Została ona wydana przez Wyd. Pol. Świętokrzyskiej w 2008 r.
1)
Dostęp: www.tu.kielce.pl/~wdep
10
Podziękowania
Przedmowa
PODZIĘKOWANIA
Chciałbym podziękować wszystkim, którzy służyli mi radą, krytycznymi uwagami i pomocą przy opracowaniu i wydaniu tej i poprzednich wersji niniejszego podręcznika, a w szczególności Panom Profesorom Leopoldowi Jeziorskiemu, Andrzejowi Łatkowskiemu, Zbigniewowi
Kędzierskiemu, Janowi Kusińskiemu, Jerzemu Pacynie, Jerzemu Rysiowi, Stanisławowi Skrzypkowi oraz Docentom Januszowi. Lesieckiemu i Adamowi Mazurowi, a także Panom Doktorom
Piotrowi Bali, Jerzemu Krawiarzowi i Ireneuszowi Sulidze.
W pamięci zachowam również nieocenioną pomoc i życzliwość nieżyjących już Panów Profesorów: Stanisława Gorczycy i Wacława Różańskiego, którzy recenzowali pierwsze wydania
książki.
Bardzo dziękuję również pracownikom b. Zakładu Analiz Strukturalnych AGH w Krakowie i Katedry Metaloznawstwa i Technologii Materiałowych Politechniki Świętokrzyskiej,
a w szczególności dr. inż. Kazimierzowi Bolanowskiemu, dr. inż. Wojciechowi Depczyńskiemu
i dr. inż. Justynie Kasińskiej, za aktywną pomoc w pracach technicznych.
W podziękowaniach nie mogę także pominąć Pana prof. dr hab. inż. Adolfa Maciejnego, czł.
kor. PAN, który recenzował wydania w WNT, za wiele cennych uwag, które przyczyniły się do
obecnego poziomu podręcznika.
Dziękuję także wszystkim użytkownikom, którzy przesłali mi swoje uwagi, dotyczące poprzednich wydań książki i proszę o nadsyłanie dalszych na adres Wydawnictwa.
Dziękuję sponsorom, a szczególnie mojemu kuzynowi, właścicielowi firmy Galess mgr. inż.
Andrzejowi Lepak-Przybyłowiczowi.
AUTOR
11
K. Przybyłowicz: Nowoczesne Metaloznawstwo
JAK SIĘ UCZYĆ?
Metoda uczenia się powinna być dobrana do percepcji każdego studenta, ale zawsze ważna jest systematyka w nauce. Jeśli masz pamięć słuchową i zdolność koncentracji powinieneś
uczestniczyć w wykładach. W przypadku bardzo dobrej pamięci nie musisz nic notować, ale
możliwie w tym samym dniu po wykładzie powinieneś przeczytać w podręczniku odpowiedni fragment i wynotować dane (których nie zapamiętałeś), jak definicje, wzory, nowe terminy,
przykładowe składy stopów, wykresy zależności. Zalecane jest także przeczytanie fragmentu
obejmującego treść następnego wykładu (bez robienia konspektu).
Jeśli twoja pamięć słuchowa nie jest zbyt dobra i masz trudności w koncentracji na przekazywanej przez wykładowcę treści powinieneś robić na wykładzie notatki, najlepiej w zeszycie o formacie A4 z marginesem ¼ szerokości strony. Następnie po wykładzie należy przeczytać w podręczniku odpowiedni fragment i wynotować na marginesie, to czego nie zdążyłeś zapisać na wykładzie.
Osoby, które nie mają pamięci słuchowej i trudno się koncentrują niewiele skorzystają na
wykładzie więc byłoby lepiej, aby nie brały w nim udziału (w porozumieniu z wykładowcą).
Powinny jednak poświęcić czas wykładu na przeczytanie odpowiedniego fragmentu podręcznika i zrobienie konspektu. Celowe jest porozumiewanie się z osobami uczestniczącymi w wykładach w celu ustalenia zakresu wyłożonego materiału. Jeśli nie rozumiesz określonej partii
wykładu lub fragmentu podręcznika poproś kolegę o wyjaśnienie lub idź na konsultację do wykładowcy lub asystenta. Weekend wykorzystaj na przeglądnięcie konspektu starając się zapamiętać jego treść. Fragmenty trudno wchodzące do głowy możesz zaznaczyć i zaznaczone fragmenty częściej powtarzać. Przed egzaminem należy korzystać przede wszystkim z konspektu. Jeśli jest zbyt obszerny możesz sporządzić konspekt skondensowany wpisując do niego te
dane, które należy zapamiętać (jest to szczególnie ważne w przypadku osób, które mają pamięć
wzrokową). Korzystne jest także przerysowywanie wykresów zależności, przepisywanie wzorów i składów stopów, nawet wielokrotne.
Zalecane jest też korzystanie z podręcznika „Materiałoznawstwo w pytaniach i odpowiedziach”. Po przeczytaniu pytania zastanów się najpierw co mógłbyś na nie odpowiedzieć (najlepiej mów na głos), a następnie przeczytaj odpowiedź z książki. Te fragmenty, których nie pamiętałeś zaznacz ołówkiem na marginesie i następnym razem czytaj już tylko zaznaczone fragmenty, wymazując zaznaczenia fragmentów już zapamiętanych.
Efektywne może również być nagrywanie konspektu i przesłuchiwanie zapisu w czasie
przejazdów, spacerów lub w wolnych chwilach za pomocą walkmana, mp3 lub innych nośników. Na egzaminie staraj się mówić powoli; będziesz miał więcej czasu do namysłu i będziesz
lepiej rozumiany.
Jeśli zastosujesz się do tych wskazówek powinieneś zdać egzamin, co najmniej na dobrze.
Nie wierz w cudowne „leki”, które same wprowadzą wiedzę do Twojej głowy. One co najwyżej
trwale cię otumanią i sprawią, że nie będziesz w stanie już niczego zapamiętać.
AUTOR
12
Spis
Wstęp
treści
WSTĘP
Metaloznawstwo jest stosunkowo młodą dziedziną nauki, chociaż metale były stosowane
przez człowieka od zamierzchłych czasów. Słaby rozwój metaloznawstwa był spowodowany niskim poziomem nauk podstawowych – fizyki i chemii oraz małym postępem w rozwoju metod
badawczych. Pomimo braku teorii i wytwarzania metali metodami rzemieślniczymi osiągano
zdumiewająco dobre efekty, czego dowodem była stal damasceńska używana głównie do wyrobu broni siecznej. Była najpierw wytwarzana w Indiach w I w. p.n.e., a potem w III w. n.e. rozprzestrzeniła się w Europie (głównym ośrodkiem wytwórczym były okolice Damaszku). Stal
o podobnych własnościach wytwarzano też w Japonii oraz w Rosji i była stosowana nie tylko na
miecze, ale i na lufy strzelb. Stal ta była efektem połączenia obróbki plastycznej (wielokrotnego
przekuwania), cieplno-chemicznej (nawęglania), cieplnej (wyżarzania i hartowania), a efektem
była wysoka twardość i ciągliwość.
Dopiero od połowy XIX w. dał się zauważyć istotny postęp w rozwoju metaloznawstwa, co
było spowodowane burzliwym rozwojem przemysłu i potrzebą stosowania nowych materiałów
o zróżnicowanych własnościach i większej wytrzymałości. Sprzyjało temu zastosowanie mikroskopu do obserwacji struktury stali. Dało do asumpt do szerszych badań w tym zakresie, przede
wszystkim przez Sorby’ego i jego szkołę, i stworzyło podstawy do rozwoju ważnego działu metaloznawstwa – metalografii.
Drugim ważnym wydarzeniem było opracowanie w 1861 r. przez D.K. Czernowa pierwszego układu równowagi żelazo – węgiel, co wraz z późniejszym opracowaniem wykresów CTP
i sformułowaniem pojęcia hartowności, stworzyło podstawy naukowe drugiego ważnego działu
– obróbki cieplnej. Opracowywanie układów równowagi różnych stopów przyczyniło się z kolei do rozwoju termodynamiki stopów i pozwoliło na przwidywanie ich struktury w zależności
od składu1)).
Współczesne metaloznawstwo stanowi naukę, której domeną jest z jednej strony opis budowy i własności tworzyw metalicznych, z drugiej zaś – ustalanie korelacji między układem równowagi i strukturą oraz między strukturą i własnościami stopów. Naukowym celem jest interpretacja zjawisk, określanie mechanizmu i kinetyki przemian fazowych.
Do praktycznych aspektów metaloznawstwa należy zaliczyć dział zajmujący się badaniem
stopów w stanie lanym oraz przerobionych plastycznie i poddanych działaniu odpowiednich zabiegów cieplnych, zwanych obróbką cieplną. Umożliwia rozdrobnienie ziarna oraz wywoływanie przemian fazowych i przez to wpływanie na własności stopów.
Ważnym zadaniem metaloznawstwa jest zapewnienie racjonalnego i optymalnego stosowania metali i stopów w technice. Z jednej strony można to osiągnąć przez dokładne poznanie
istniejących już stopów, opracowanych dawniej na zasadach empirycznych, z drugiej zaś – na
wykorzystaniu poznanych prawidłowości w celu komponowania nowych stopów o lepszych
własnościach. Ten kierunek, wymuszany rozwojem nowoczesnych technik (np. rakietowej, jądrowej, kosmicznej i wojskowej), które wymagają materiałów o wysokich własnościach jest tańszy i bardziej perspektywiczny.
Ważną cechą materiałów metalowych, związaną ściśle z ich własnościami, jest struktura.
Zagadnienie struktury można rozpatrywać w różnej skali. W najwyższej plasuje się struktura
atomowa, tj. liczba elektronów i ich rozmieszczenie wokół jądra, a zwłaszcza budowa zewnętrznej orbity, która decyduje o przynależności do określonej grupy układu okresowego, a więc o ro1)
Obszerny rys historyczny rozwoju metaloznawstwa opracowany przez A. Maciejnego znajdzie Czytelnik w pracy zbiorowej pod red. S.J. Skrzypka i K. Przybyłowicza pt. „Inżynieria metali i ich stopów”, Wyd.
AGH 2012 [146].
15
K. Przybyłowicz: Nowoczesne Metaloznawstwo
dzaju wiązania i własnościach pierwiastka. W niższej skali mamy strukturę krystaliczną, czyli układ atomów w przestrzeni związany z typem sieci krystalograficznej. Określa się ją za pomocą metod dyfrakcji promieni rentgenowskich, elektronów lub neutronów. W następnej kolejności lokuje się mikrostruktura. Pod pojęciem tym rozumie się rozmieszczenie obiektów (faz,
ziarn) w objętości lub na powierzchni płaskiego zgładu z uwzględnieniem ich wzajemnej relacji (wielkości, kształtu, orientacji) możliwe do obserwacji za pomocą mikroskopów świetlnych
przy powiększeniu do ok. 2500 razy. Jeśli obiekty te cechują się dużą dyspersją, możliwą do obserwacji za pomocą mikroskopu elektronowego przy powiększeniu rzędu miliona razy, to możemy mówić o nanostrukturze (można ujawnić strukturę dyslokacyjną, błędy ułożenia, dyspersyjne wydzielenia). Tak głębokie wnikanie w strukturę metali stwarza możliwość rozwoju tzw. nanotechnologii, tj. wytwarzania i stosowania metali o bardzo drobnym ziarnie lub umacnianych
nanocząstkami związków (< 100 nm).
Do najniższej skali należy makrostruktura. W tym przypadku chodzi o strukturę obserowaną „gołym” okiem lub przy niewielkim powiększeniu – do ok. 30 razy. Można wykryć pęknięcia, rzadzizny, pęcherze i tp.
Przed przejściem do szczegółowego omawiania nauki o metalach należy sprecyzować definicję metalu i przeprowadzić klasyfikację metali stosowanych w technice. Najczęściej pierwiastki zalicza się do metali na podstawie zespołu cech, takich jak: nieprzezroczystość, metaliczny
połysk, plastyczność. Wymienione cechy są jednak wtórne i wynikają głównie z typu wiązań
między atomami w sieci krystalicznej i nie są związane z samymi atomami, lecz ich skupiskami.
Inaczej mówiąc, własności metaliczne towarzyszą jedynie skondensowanym stanom skupienia,
tzn. wykazują je tylko pierwiastki w stanie stałym i ciekłym.
Opierając się na budowie atomowej i strukturze, można podać szereg innych właściwości
fizycznych, charakteryzujących metale, np. dobra przewodność elektryczna malejąca ze wzrostem temperatury oraz cieplna, a w stanie stałym – budowa krystaliczna (w stanie równowagi),
przy czym prawie wszystkie metale krystalizują w trzech typach sieci: A1, A2, A3.
16