Technik.technologii.drewna 311[32] o1.03_u

Technik.technologii.drewna 311[32] o1.03_u

1. „Projekt wspó łfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Spo łecznego”






MINISTERSTWO EDUKACJI
NARODOWEJ



Marian Nowotnik





Rozpoznawanie metali i ich stopów 311[32].O1.03






Poradnik dla ucznia










Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2006

2. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

1
Recenzenci:
mgr inż. Sławomir Skorupa
mgr inż. Leszek Jaszczyk



Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Joanna Nowotnik



Konsultacja:
mgr Ma łgorzata So łtysiak





Poradnik stanowi obudow ę dydaktyczn ą programu jednostki modu łowej 311[32].O1.03
Rozpoznawanie metali i ich stopów zawartego w modu łowym programie nauczania dla
zawodu technik technologii drewna.



























Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2006

3. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

2
SPIS TRE ŚCI

1. Wprowadzenie 3
2. Wymagania wst ępne 5
3. Cele kszta łcenia 6
4. Materia ł nauczania 7
4.1. Wiadomo ści ogólne o metalach i stopach 7
4.1.1. Materia ł nauczania 7
4.1.2. Pytania sprawdzaj ące 10
4.1.3. Ćwiczenia 10
4.1.4. Sprawdzian post ępów 11
4.2. Żelazo i jego stopy 12
4.2.1. Materia ł nauczania 12
4.2.2. Pytania sprawdzaj ące 16
4.2.3. Ćwiczenia 17
4.2.4. Sprawdzian post ępów 19
4.3. Metale nie żelazne i ich stopy 20
4.3.1. Materia ł nauczania 20
4.3.2. Pytania sprawdzaj ące 28
4.3.3. Ćwiczenia 28
4.3.4. Sprawdzian post ępów 30
4.4. Podstawy oblicze ń wytrzyma łościowych 31
4.4.1. Materia ł nauczania 31
4.4.2. Pytania sprawdzaj ące 38
4.4.3. Ćwiczenia 38
4.4.4. Sprawdzian post ępów 40
4.5. Obróbka metali 41
4.5.1. Materia ł nauczani a 41
4.5.2. Pytania sprawdzaj ące 44
4.5.3. Ćwiczenia 45
4.5.4. Sprawdzian post ępów 46
5. Sprawdzian osi ągnięć 47
6. Literatura 52

4. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

3
1. WPROWADZENIE

Poradnik ten b ędzie Tobie pomocny w nabywaniu umiej ętności z zakresu rozpoznawania
metali i ich stopów, okre ślania zastosowania i w łaściwości metali i stopów, wykonywania
podstawowych oblicze ń wytrzyma łościowych materia łów, a tak że obróbki metali.
Jednostka modu łowa: Rozpoznawanie metali i ich stopów jest trzeci ą jednostk ą
w module ogólnozawodowym dla zawodu technik technologii drewna.
W poradniku zamieszczono:
1. Wymagania wst ępne, czyli wykaz niezb ędnych umiej ętności, które powiniene ś posiada ć,
aby przyst ąpić do realizacji tej jednostki modu łowej.
2. Cele kszta łcenia tej jednostki modu łowej, które ok reślają umiejętności, jakie opanujesz
w wyniku procesu kszta łcenia.
3. Materia ł nauczania, który zawiera informacje niezb ędne do realizacji zaplanowanych
szczegó łowych celów kszta łcenia, umo żliwia samodzielne przygotowanie si ę do
wykonania ćwiczeń i zaliczen ia sprawdzianów. Wykorzystaj do poszerzenia wiedzy
wskazaną literatur ę oraz inne źródła informacji. Obejmuje on równie ż:
– pytania sprawdzaj ące wiedz ę niezbędną do wykonania ćwiczeń,
– ćwiczenia z opisem sposobu ich wykonania oraz wyposa żenia stanowiska pracy,
– sprawdzian post ępów, który umo żliwi sprawdzenie poziomu Twojej wiedzy po
wykonaniu ćwiczeń.
4. Sprawdzian osi ągnięć w postaci zestawu pyta ń sprawdzaj ących opanowanie umiej ętności
z zakresu ca łej jednostki. Zaliczenie go jest dowodem umiej ętności określonych w tej
jednostce modu łowej.
5. Wykaz literatury dotycz ącej programu jednostki modu łowej.
Jeżeli masz trudno ści ze zrozumieniem tematu lub ćwiczenia, to popro ś nauczyciela lub
instruktora o wyja śnienie i ewentualne sprawdzenie, czy dobrze wykonujesz dan ą czynność.
Po przerobieniu materia łu spróbuj zaliczy ć sprawdzian z zakresu jednostki modu łowej.
Wykonuj ąc sprawdzian post ępów powiniene ś odpowiada ć na pytania tak lub nie, co oznacza,
że opanowa łeś materia ł lub nie.

Bezpiecze ństwo i higiena pracy

W czasie poby tu na warsztatach i w pracowni podczas ćwiczeń praktycznych musisz
przestrzega ć regulaminów, przepisów bezpiecze ństwa i higieny pracy oraz instrukcji
przeciwpo żarowych, obowi ązujących podczas poszczególnych rodzajów prac.

5. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

4













Schemat uk ładu jednostek modu łowych
311[32].O1.09
Promowanie i sprzeda ż
wyrobów drzewnych
311[32].O1.05
Wykonywanie,
odczytywanie
i interpretowanie szkiców
schematów i rysunków
311[32].O1.07
Wykorzystywanie
metrologii technicznej
Moduł 311[32].O1
Podstawy procesów
technologicznych
311[32].O1.01
Przestrzeganie przepisów
bezpiecze ństwa, higieny
pracy, ochrony
przeciwpo żarowej oraz
ochrony środowiska
311[32].O1.06
Rozpoznawanie typowych
części i zespo łów maszyn
311[32].O1.02
Korzystanie z przepisów
kodeksu pracy
311[32].O1.03
Rozpoznawanie metali
i ich stopów
311[32].O1.04
Rozpoznawanie
składowanie
i zabezpieczanie drewna
311[32].O1.08
Wykorzystywanie techniki
komputerowej i dokumentacji
techniczno - technologicznej
311[32].O1.09
Promowanie i sprzeda ż
wyrobów drzewnych
311[32].O1.05
Wykonywanie,
odczytywanie
i interpretowanie szkiców
schematów i rysunków
311[32].O1.07
Wykorzystywanie
metrologii technicznej
Moduł 311[32].O1
Podstawy procesów
technologicznych
311[32].O1.01
Przestrzeganie przepisów
bezpiecze ństwa, higieny
pracy, ochrony
przeciwpo żarowej oraz
ochrony środowiska
311[32].O1.06
Rozpoznawanie typowych
części i zespo łów maszyn
311[32].O1.02
Korzystanie z przepisów
kodeksu pracy
311[32].O1.03
Rozpoznawanie metali
i ich stopów
311[32].O1.04
Rozpoznawanie
składowanie
i zabezpieczanie drewna
311[32].O1.08
Wykorzystywanie techniki
komputerowej i dokumentacji
techniczno-technologicznej

6. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

5
2. WYMAGANIA WST ĘPNE

Przystępując do realizacji programu jednostki modu łowej powiniene ś umieć:
– posługiwać się podstawowymi poj ęciami technicznymi,
– posługiwać się podstawowymi poj ęciami budowy materii,
– odczytywa ć układ okresowy pierwiast ków,
– stosowa ć narzędzia pomiarowe zgodnie z ich przeznaczeniem,
– organizowa ć stanowisko pracy zgodnie z zasadami bhp,
– dobierać przybory i materia ły do wykonania rysunku,
– wykonywa ć i odczytywa ć szkice, schematy i rysunki,
– korzysta ć z różnych źródeł informacj i.

7. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

6
3. CELE KSZTA ŁCENIA

W wyniku realizacji programu jednostki modu łowej powiniene ś umieć:
– rozpozna ć metale i stopy,
– określić zastosowanie metali i ich stopów,
– określić właściwości metali i ich stopów,
– określić rodzaje obci ążeń, odkszta łceń i naprężeń,
– wykonać podstawowe obliczenia wytrzyma łości materia łów.

8. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

7
4. MATERIA Ł NAUCZANIA

4.1. Wiadomo ści ogólne o metalach i stopach

4.1.1. Materia ł nauczania

Metale maj ą liczne charakterystyczne cechy ró żniące je od niemetali. Nale żą do nich:
– wysoka przewodno ść elektryczna i cieplna (niemetale s ą dobrymi izolatorami),
– własności magnetyczne,
– rozszerzalno ść cieplna,
– plastyczno ść (większość metali daje si ę kuć, walcowa ć, ciągnąć itp., podczas gdy
niemetale przy takich próbach krusz ą się),
– połysk zwany metalicznym, kt óry można zwiększyć przez szlifowanie i polerowanie.
Własności metali ma ponad 80 pierwiastków i du ża liczba ich stopów. Spo śród tych
pierwiastków tylko nieliczne wykorzystywane s ą w technice. Nale żą do nich g łównie: glin
(aluminium), żelazo, magnez i tyta n. W mniejszym rozmiarze ze wzgl ędu na stosunkowo
mniejsze z łoża miedź, mangan, chrom i wanad oraz cynk, cyna, o łów, nikiel i kobalt.
Metale dziel ą się na dwie podstawowe grupy: metale żelazne (stopy żelaza z w ęglem)
oraz metale nie żelazne.
Metale chemiczn ie czyste, ze wzgl ędu na swoje niskie w łasności wytrzyma łościowe,
stosuje si ę w technice jedynie z uwagi na ich w łasności fizyczne lub chemiczne. Do budowy
maszyn i urz ądzeń oraz innych zastosowa ń opisanych w kolejnych materia łach nauczania
stosuje si ę głównie stopy ró żnych metali, a cz ęsto równie ż niemetali. Jednymi z wa żniejszych
są stopy żelaza (stale o ró żnym składzie i ró żnych własnościach, staliwa i żeliwa) oraz stopy
metali nie żelaznych (mied ź, aluminium, cyna, cynk).
Metale wyst ępują w przyrodzie ja ko składniki ró żnych minera łów lub rud.

Własności metali i stopów
Własności metalu lub stopu okre śla jego struktura. Metal lub stop poddany obróbce
cieplnej zmienia swoj ą struktur ę, a tym samym i w łasności.
Własności metali i stopów dzieli si ę na fizyczne , chemiczne, mechaniczne,
technologiczne lub specjalne.
Do własności fizycznych zalicza si ę takie parametry jak g ęstość, temperatur ę topnienia,
rozszerzalno ść i przewodno ść cieplną, przewodno ść elektryczn ą.
Do własności chemicznych nale ży odporno ść na dzia łanie środowiska zewn ętrznego
(kwasów, zasad, wilgotnego powietrza, gazów, wysokiej temperatury), tj. odporno ść na
korozję.
Do własności mechanicznych metali i stopów zalicza si ę wytrzyma łość materia łu,
sprężystość, plastyczno ść, twardo ść, udarno ść, ciągliwość.
Własności technologiczne materia łu okre śla jego przydatno ść do ró żnego rodzaju
obróbki, np. kucia, t łoczenia, spawania itp.
Własności specjalne to zachowanie si ę metali i stopów w specyficznych warunkach
użytkowania, np. w warunkach podwy ższonej lub obniżonej temperatury, przy
podwyższonych lub obni żonych ci śnieniach itp. Do w łasności specjalnych zalicza si ę równie ż
i takie, których metale i stopy zwykle nie wykazuj ą, a które stwarza si ę przez odpowiednie
dodatki podczas wytopu. Do metali i stopów o t akich w łasnościach mo żna zaliczy ć: stopy
o wysokiej oporno ści omowej, stopy niemagnetyczne, stale żaroodporne, odporne na zu życie,
korozję.

9. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

8
Tabela 1. Główne w łasności mechaniczne metali i stopów

Wytrzyma łość materia łu Graniczna odporno ść materia łu na działanie sił zewnętrznych
Wytrzyma łość na rozci ąganie Stosunek najwi ększej siły rozciągającej do przekroju pierwotnego rozrywanej
próbki
Wytrzyma łość na ściskanie Stosunek najwi ększej siły ściskającej w chwili rozkruszenia próbki do jej
przekroju pocz ątkowego
Sprężystość Zdolność materia łu do odzyskiwania pierwotnego kszta łtu i wymiarów po
zdjęciu obci ążenia wywo łującego odkszta łcenie
Granica spr ężystości Największa warto ść obciążenia rozci ągającego (ściskającego), które nie
powoduje jeszcze odkszta łceń trwałych
Plastyczno ść Zdolność materia łu do zachowania odkszta łceń (bez pęknięć) po zdj ęciu
obciążenia
Granica plastyczno ści Naprężenie odpowiadaj ące rozci ągającemu obci ążeniu wywo łującemu
odkształcenia trwa łe próbki
Wydłużenie i przew ężenie Cechy mater iału charakteryzuj ące własności plastyczne materia łu
Wydłużenie jednostkowe Stosunek przyrostu d ługości rozciąganej próbki po zerwaniu do jej pocz ątkowej
długości
Przewężenie Stosunek zmniejszenia si ę przekroju w szyjce rozci ąganej próbki do przekroju
początkowego
Twardo ść Własność materia łu stawiania oporu odkszta łceniom plastycznym przy
miejscowym oddzia ływaniu obcego, twardego cia ła na jego powierzchni ę
Udarność Odporno ść materia łu na pękanie przy uderzeniach
Ciągliwość Zdolność materia łu do du żych odkształceń pod wp ływem si ł zewnętrznych

Aby móc racjonalnie stosowa ć metale i stopy nale ży dokładnie pozna ć ich własności.
Własności te zale żą od składu chemicznego stopu i jego budowy krystalograficznej.

Budowa wewn ętrzna (struktura) metali i stopów
Głównym wska źnikiem krystalicznej budowy cia ła nie jest zewn ętrzna forma, lecz
struktura wewn ętrzna. Cia ło krystaliczne w stanie sta łym charakteryzuje si ę
uporządkowanym, regularnym rozmieszczeniem atomów tworz ących przestrzenn ą
krystaliczn ą siatkę. Siatka składa się z licznych równoleg łych krystalograficznych p łaszczyzn,
oddalonych od siebie o okre ślona odleg łość. W węzłach siatki rozmieszczone s ą atomy.
Metale mog ą znajdowa ć się w trzech stanach skupienia: sta łym, płynnym i gazowym.
Przejście z jednego sta nu skupienia w drugi nast ępuje przy okre ślonych temperaturach
i towarzysz ących im zmianach w łasności metali. Metale czyste krzepn ą w sta łej, ściśle
określonej dla danego metalu, temperaturze. W czasie krzepni ęcia zmienia si ę objętość
metali. Z regu ły objętość metalu skrzep łego jest mniejsza od obj ętości metalu ciek łego.
Przechodz ąc ze stanu p łynnego w stan sta ły wszystkie metale uzyskuj ą budow ę
krystaliczn ą. Ze wzrostem szybko ści oziębiania wzrasta liczba o środków krystalizacji, a tym
samym rozmiary ziaren maleją. W niektórych metalach przemiany nast ępują równie ż
w skrzep łym metalu. Przy takich przemianach nast ępuje przegrupowanie si ę atomów
z jednego typu siatki przestrzennej w drug ą. Zjawisko to nazywa si ę alotropi ą, a sam proces
przemian ą alotropow ą.
Zmianie budowy krystalicznej towarzysz ą zmiany w łasności fizycznych, chemicznych
i mechanicznych. Przemianom alotropowym poza żelazem podlegaj ą równie ż: cyna, kobalt,
mangan, tellur, cyrkon i tytan. Zjawisko alotropii jest wykorzystywane w obróbce cieplnej
metali.
Wady budowy krystalicznej w istotny sposób wp ływają na własności wytrzyma łościowe
i plastyczne metali. D ążenie do ograniczenia wad budowy krystalicznej jest jednak
technicznie bardzo trudne. Osi ągnięciu tego celu sprzyjaj ą więc procesy technologicz ne
odlewania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej, omówione w dalszym materiale nauczania.

10. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

9


Rys. 1. Schemat zale żności własności wytrzyma łościowych
metali od g ęstości wad budowy krystalicznej [1, s. 38]

Metale w postaci chemicznie czystej prawie nie znajdują zastosowania jako materia ły
konstrukcyjne. Czyste metale w stanie ciek łym mo żna miesza ć z innymi metalami lub
niemetalami i po doprowadzeniu do skrzepni ęcia otrzyma ć stop posiadaj ący żądane
własności. Stop sk łada się zwykle z dwóch lub wi ęcej głównych sk ładników. Dobieraj ąc
odpowiednio sk ładniki i ich procentow ą zawarto ść w stopie mo żna w szerokim zakresie
zmienia ć jego własności.



Rys. 2. Wpływ składników stopowych na w łasności mechaniczne stopów [5, s. 308]

Podczas przechodzenia ze stanu cie kłego w stan sta ły stopy mog ą tworzy ć roztwory sta łe,
związki chemiczne lub mieszaniny.
Mieszanina jest to takie po łączenie sk ładników stopu, w którym podczas krystalizacji
(krzepni ęcia) składniki stopu nie reaguj ą ze sob ą i nie rozpuszczaj ą się jeden w dr ugim,
utrzymuj ą swoje siatki przestrzenne. Tym samym po skrzepni ęciu struktura takiego stopu jest
mechaniczn ą mieszanin ą składników.

11. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

10
Kryszta ły roztworu sta łego różnią się od mieszaniny tym, że zostaje w nich zachowana
siatka przestrzenna, w której obok ato mów rozpuszczalnika rozmieszczaj ą się atomy
składników stopu (atomy rozpuszczonego sk ładnika zamieniaj ą sobą atomy rozpuszczalnika
albo rozmieszczaj ą się między nimi).
W przypadku po łączeń chemicznych wzajemne powi ązanie sk ładników charakteryzuje
się wytwo rzeniem nowej siatki przestrzennej, odmiennej od siatek sk ładników stopu.
Stosunek sk ładników stopu jest przy tym ściśle określony.

4.1.2. Pytania sprawdzaj ące

Odpowiadaj ąc na pytania sprawdzisz, czy jeste ś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie cechy odróżniają metale od niemetali?
2. Jakie wyró żniamy rodzaje w łasności metali i stopów?
3. Jakie parametry zalicza si ę do własności fizycznych, chemicznych i mechanicznych?
4. Na czym polega budowa wewn ętrzna metali i stopów.
5. Jak można przedstawi ć graficznie zale żność własności wytrzyma łościowych metali od
gęstości wad budowy krystalicznej?
6. Jak scharakteryzowa ć poszczególne rodzaje po łączeń składników stopów?
7. Jaki jest wp ływ składników stopowych na w łasności mechaniczne stopów?

4.1.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1
Określ podstawowe w łasności metali i stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat w łasności metali i ich stopów,
2) określić podstawowe w łasności metali i stopów,
3) scharakteryzowa ć główne w łasności mechan iczne metali i stopów,
4) przedstawi ć powyższe w formie opisowej,
5) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru format A-4,
– ołówek/długopis,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 2
Scharakteryzuj budow ę wewnętrzną metali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat budowy wewn ętrznej metali,
2) scharakteryzowa ć w formie pisemnej budow ę wewnętrzną metali,
3) przedstawi ć graficznie schemat zale żności własności wytrzyma łościowych metali od
gęstości wad budowy krystalicznej,
4) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

12. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

11
Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru w kratk ę format A -4,
– ołówek/długopis,
– przymiar liniowy,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 3
Scharakteryzuj budow ę wewnętrzną stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat budowy wewn ętrznej stopów,
2) scharakteryzowa ć w formie pisemnej budow ę wewnętrzną stopów,
3) przedstawi ć graficznie wp ływ składników stopowych na w łasności mechaniczne stopów,
4) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru w kratk ę format A -4,
– ołówek/długopis,
– przymiar liniowy,
– literatura z rozdzia łu 6.

4.1.4. Sprawdzian post ępów

Czy potrafisz:
Tak Nie
1) wyjaśnić jakie cechy odró żniają metale od niemetali? ¨ ¨
2) określić rodzaje w łasności metali i stopów? ¨ ¨
3) określić parametry zaliczane do w łasności fizycznych, chemicznych
i mechanicznych? ¨ ¨
4) wyjaśnić na czym polega budowa wewn ętrzna metali i stopów? ¨ ¨
5) przedstawi ć graficznie zale żność własności wytrzyma łościowych metali
od gęstości wad budowy krystalicznej? ¨ ¨
6) scharakteryzowa ć poszczególne rodzaje po łączeń składników stopów? ¨ ¨
7) scharakteryzowa ć wpływ składników stopowych na w łasności
mechaniczne stopów? ¨ ¨

13. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

12
4.2. Żelazo i jego stopy

4.2.1. Materia ł nauczania

Stopy żelaza z w ęglem
Węgiel jest podstawowym sk ładnikiem wp ływającym w sposób zasadniczy na własności
stopu żelazo-węgiel. Sk ładnikami strukturalnymi stopów żelazo-węgiel są ziarna ferrytu,
cementytu, perlitu, austenitu i ledeburytu.
Ferrytem nazywa si ę prawie czyste chemicznie żelazo. Rozpuszczalno ść węgla w żelazie
jest mała i wynosi 0,006 -0,03%. Ferryt jest trwa ły do temperatury 910
0
C. Twardo ść ferrytu
jest niewielka i wynosi 60-100 kG/mm
2
w zależności od grubo ści ziarna. Plastyczno ść ferrytu
jest bardzo du ża.
Cementyt jest zwi ązkiem chemicznym żelaza z w ęglem. Zawiera 6,67% w ęgla i stanowi
bardzo twardy (twardo ść do 820 kG/mm
2
) i kruchy materia ł krystaliczny, który podczas
nagrzewania do wysokich temperatur rozk łada się na ferryt i wolny w ęgiel. Stal nie obrobiona
cieplnie jest tym twardsza, im wi ęcej zawiera cementytu.
Perlit stanowi równomie rna mieszanin ę ferrytu i cementytu. Mo że występować w dwóch
rodzajach: jako p łytkowy i jako ziarnisty. Perlit p łytkowy podczas ogrzewania ulega zmianie
w perlit ziarnisty, w którym cementyt znajduje si ę w postaci okr ągłych ziaren na tle ferrytu.
Perlit zia rnisty charakteryzuje si ę lepszymi w łaściwościami mechanicznymi ni ż płytkowy.
Perlit wed ług swoich w łasności zajmuje po średnie miejsce mi ędzy ferrytem i cementytem.
Stal o zawarto ści węgla 0,80% ma czyst ą struktur ę perlityczn ą.
Austenit jest to sta ły roztw ór węgla w żelazie. Zawarto ść węgla dochodzi w przybli żeniu
do 2%. W zwyk łych stalach w ęglowych austenit jest trwa ły do temperatury 723
0
C. Poni żej tej
temperatury austenit podczas powolnego ch łodzenia rozk łada się na ferryt, cementyt i perlit.
W temperatur ach poni żej 723
0
C austenit mo że się zachowa ć jedynie w niektórych stalach
wysokostopowych, zawieraj ących takie sk ładniki, jak: nikiel, chrom, mangan. Stale
austenityczne odznaczaj ą się bardzo du żą plastyczno ścią i są niemagnetyczne.
Ledeburyt jest to eutek tyczna mieszanina austenitu i cementytu o zawarto ści węgla 4,3%.
Wydziela si ę z żelazowęglowego stopu w temperaturze 1145
0
C. Trwa łość zachowuje tylko
w temperaturze 721-1145
0
C. Poni żej tego zakresu ledeburyt zmienia swoj ą struktur ę,
poniewa ż wchodz ący w jego skład austenit przemienia si ę w perlit, wskutek czego ledeburyt
składać się będzie z perlitu i cementytu. Ledeburyt jest kruchy i ma znaczn ą twardo ść.
Struktura stopów żelazowęglowych zale ży nie tylko od zawarto ści węgla i temperatury
stopu, lecz równi eż od szybko ści, z jak ą stop jest ch łodzony. Przy powolnym ch łodzeniu stali
nagrzanej do temperatury struktury austenitycznej, austenit przekszta łca się w perlit, ferryt
i cementyt. Przy du żych szybko ściach ch łodzenia w wyniku rozpadania si ę austenitu
otrzymuje si ę struktury stali: sorbit, troostyt, bainit i martenzyt.
Sorbit jest mieszanin ą drobnego cementytu i ferrytu. S ą dwa rodzaje sorbitu: hartowania
i odpuszczania. Sorbit hartowania (rozk ład austenitu w temperaturze ok. 600
0
C) składa się
z płytek ferrytu i cementytu, z tym że płytki cementytu s ą znacznie cie ńsze niż w perlicie.
Sorbit jest bardziej twardy od perlitu, ale ma mniejsz ą ciągliwość. Sorbit powstaj ący przy
odpuszczaniu otrzymuje si ę w wyniku rozpadu martenzytu w stali podczas jej odpuszcz ania
w zakresie temperatur 500-600
0
C.
Troostyt podobnie jak sorbit wyst ępuje jako troostyt hartowania i odpuszczania. Jest to
mieszanina p łytek ferrytu i cementytu, bardziej jednak cienkich ni ż w sorbicie. Troostyt jest
bardziej twardy ni ż sorbit, jednak mniej plastyczny. Troostyt odpuszczany powstaje
w temperaturze 350-450
0
C.

14. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

13
Bainit jest podobnie jak sorbit i troostyt odmiana perlitu, z tym że cementyt jest w nim
bardziej rozdrobniony ni ż w troostycie. Otrzymuje si ę go w wyniku izotermicznego
(w temperaturze 300-400
0
C) rozpadu austenitu.
Martenzyt jest sta łym roztworem w ęgla w żelazie. Ma du żą twardo ść (600 kG/mm
2
), jest
odporny na zu życie, ale jednocze śnie mało plastyczny i ci ągliwy. Martenzyt wyst ępuje
w strukturze stali hartowanej po szybkim jej sch łodzeniu.
Struktura i w łasności stali i żeliwa zmieniaj ą się podczas ich ogrzewania do temperatur
krytycznych, których wysoko ść zależy od zawarto ści węgla w tych stopach. Krytyczne
temperatury stopów żelazowęglowych o ró żnej zawarto ści węgla przedstawia tzw . wykres
żelazo-węgiel.



Rys. 3. Wykres żelazo-węgiel [5, s. 324]

Powyższy wykres pozwala okre ślić dla ka żdego sk ładu stali i żeliwa temperatur ę jego
topnienia oraz struktur ę stopu w dowolnej temperaturze.

Stale
Stale są to stopy żelaza z w ęglem i inn ymi pierwiastkami zawieraj ące do 2% w ęgla,
otrzymywane w procesach metalurgicznych, zwanych stalowniczymi. Materia łem
wyjściowym do wytwarzania stali jest surówka wytopiona w wielkim piecu oraz z łom
stalowy. Proces otrzymywania stali polega na wypaleniu z surówki nadmiaru w ęgla i innych
domieszek. Aby otrzyma ć odpowiednie gatunki stali wprowadza si ę specjalne dodatki
stopowe, jak np. nikiel, chrom, wanad. Otrzymany po wypaleniu produkt przerobiony
plastycznie nazywamy stal ą.
Stale łatwo poddaj ą się kuciu, t łoczeniu, obróbce mechanicznej, cieplnej i chemicznej.
Mają dużą wytrzyma łość, są plastyczne i ci ągliwe.
Ze wzgl ędu na du żą liczbę gatunków stale mo żna sklasyfikowa ć według sposobu
wytwarzania, metody przeróbki, sk ładu chemicznego i zastosowania. Ogóln ą klasyfikację
stali przedstawia tabela 2.

15. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

14
Tabela 2. Ogólna klasyfikacja stali [1, s. 93]

Kryterium podzia łu Grupy stali
Skład chemiczny węglowe, stopowe
Podstawowe zastosowanie konstrukcyjne, narz ędziowe, o szczególnych w łasnościach
Stopień czystości zwykłej jakości, wyższej jako ści, najwy ższej jako ści
Sposób wytwarzania martenowska, elektryczna, konwertorowa
Sposób odtleniania uspokojona, pó łuspokojona
Rodzaj wyrobów blachy, druty, rury, pr ęty
Postać lana, kuta, walcowana na gor ąco, na zimno, ci ągniona
Stan kwalifikacyjny surowy, zmi ękczony, normalizowany

Stale konstrukcyjne stosuje si ę do wyrobu elementów maszyn, w budownictwie itp.
Zalicza si ę do nich stale w ęglowe o zawarto ści węgla do 0,70% i ró żne stale stopowe.
Stopowe stale konstrukcyjne dzi eli się według przeznaczenia na stale resorowe, spr ężynowe,
na łożyska toczne itp.
Stale narz ędziowe s ą wykorzystywane do produkcji narz ędzi tnących, t łocznych,
pomiarowych itp. Zalicza si ę do nich stale w ęglowe o zawarto ści węgla powy żej 0,65%
i niektóre stale stopowe. Stale narz ędziowe dzieli si ę ponadto w zale żności od warunków
pracy narz ędzia na przeznaczone do pracy na zimno (do 200
0
C) i przeznaczone do pracy na
gorąco. Wyró żnia się równie ż stale tzw. szybkotn ące.
Stale specjalne s ą to stale stopowe mające szczególne w łasności, jak np. stale odporne na
korozję (nierdzewne), żaroodporne, kwasoodporne, o specjalnych w łasnościach
magnetycznych.



Rys. 4. Zastosowanie stali w ęglowych [5, s. 333]

16. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

15
Dominuj ący wpływ na struktur ę i własności stali w ęglowych wywiera w ęgiel. W miar ę
podwyższania st ężenia tego pierwiastka w stali zmniejszeniu ulega udzia ł miękkiego
i plastycznego ferrytu w strukturze stali, a zwi ększeniu udzia ł twardego i kruchego
cementytu. Z tego wzgl ędu stale o wi ększej zawarto ści węgla wykazują większą twardo ść,
wytrzyma łość na rozci ąganie i granic ę plastyczno ści. Zwiększenie st ężenia węgla powoduje
przy tym jednoczesne zmniejszenie w łasności plastycznych i ci ągliwości stali,
a w szczególno ści wydłużenia, przew ężenia i udarno ści.



Rys. 5. Wpływ węgla na w łasności mechaniczne
stali węglowych [1, s. 94]

Zawarto ść węgla decyduje równie ż o własnościach technologicznych stali. Przy
większych st ężeniach w ęgla stal cechuje si ę większym wspó łczynnikiem liniowej
rozszerzalno ści cieplnej i mniej szą przewodno ścią cieplną, co zwi ększa napr ężenia cieplne
i skłonność do pęknięć. Zwiększona zawarto ść węgla pogarsza podatno ść stali na obróbk ę
plastyczn ą na zimno i na gor ąco. Węgiel o st ężeniu powy żej 0,25% zdecydowanie pogarsza
również spawalno ść stali. Stale niskow ęglowe z kolei o st ężeniu węgla mniejszym od 0,25%
ze wzgl ędu na du żą ciągliwość wykazuj ą gorszą skrawalno ść.

Staliwo
Staliwem nazywamy stal odlan ą w formie odlewniczej, nie poddanej obróbce plastycznej.
Własności staliw, podobnie jak stal i węglowych, zale żą głównie od st ężenia węgla.
Staliwa nisko- i średniow ęglowe cechuj ą się dobrą spawalno ścią. Staliwo dzieli si ę na
konstrukcyjne i stopowe – odporne na korozj ę, żaroodporne, narz ędziowe itp. Staliwo
stopowe znajduje szerokie zastosowanie w postaci odlewów cz ęści o du żych przekrojach
i w specjalnych warunkach pracy.
Własności mechaniczne staliwa s ą nieco gorsze ni ż stali przerobionej plastycznie o tym
samym sk ładzie. Z kolei staliwa s ą bardziej plastyczne od żeliw.
Podobnie jak stale mo żna poddawa ć staliwo obróbce cieplnej, co pozwala na
podniesienie ich w łasności mechanicznych. Oprócz tego odlewy kokilowe poddaje si ę
wyżarzaniu odpr ężającemu. Czynnikiem obni żającym w łasności odlewów jest obecno ść
porów, a nawet jam skurczowych, jak równie ż wzrost grubo ści ścianek prowadzi do
obniżenia własności wytrzyma łościowych.

17. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

16
Żeliwa
Żeliwa są to stopy żelaza z w ęglem, w których zawarto ść węgla wynosi 2 -3,8%. Oprócz
węgla w żeliwie znajduj ą się domieszki krzemu, manganu, siarki i fosforu. W żeliwach
stopowych zawarte s ą specjalne dodatki zmieniaj ące własności żeliwa, takie jak chrom,
nikiel, molibden i inne.
W budowie maszyn s ą stosowane g łównie żeliwa szare i wysokojako ściowe stopowe,
sferoidalne, modyfikowane i ci ągliwe.
W żeliwach szarych w ęgiel wyst ępuje w postaci grafitu. Grafit w żeliwie mo żna
porówna ć z porami i p ęknięciami. Im ich wi ęcej, tym ni ższe są mechaniczne w łasności
żeliwa. Na struktur ę żeliwa wywieraj ą równie ż wpływ domieszki: mangan, fosfor, siarka,
a szczególnie krzem. Żeliwa szare cha rakteryzuj ą się dobrymi w łasnościami odlewniczymi,
dobrą obrabialno ścią, dużą odporno ścią na zu życie i zadowalaj ącymi w łasnościami
mechanicznymi. Stosuje si ę je na takie elementy jak kad łuby cylindrów silników, obudowy,
tłoki, łożyska itp. Cech ą ujemną żeliwa szarego jest trudna spawalno ść.
Żeliwa zmodyfikowane otrzymuje si ę przez dodanie do żeliwa szarego o stosunkowo
niskiej zawarto ści węgla (2,7 -3,1%), przed odlaniem go do form, specjalnych dodatków
zwanych modyfikatorami ( żelazokrzem, wapniokrzem). Mody fikowanie żeliwa znacznie
podnosi jego w łasności mechaniczne, np. zwi ększa się odporno ść na ścieranie, cechuje si ę
lepszą lejnością. Stosuje si ę je m.in. na wa ły korbowe silników, ko ła zębate, g ąsienice
ciągnikowe.
Żeliwa sferoidalne s ą odmian ą żeliwa mody fikowanego (po dodaniu np. manganu), co
zwiększa w łasności wytrzyma łościowe i plastyczne żeliwa. Zast ępują staliwo, a nawet
odkuwki stalowe, Stosuje si ę je m.in. na ko ła zębate, wrzeciona, t łoki silników
wysokopr ężnych i pier ścienie tłokowe.
Żeliwo ci ągliwe otrzymuje si ę przez d ługotrwa łe wyżarzanie odlewów z żeliwa bia łego,
wskutek czego odlewy uzyskuj ą własności plastyczne i staj ą się obrabialne. Zast ępuje staliwo.
Stosuje si ę na piasty kó ł, wsporniki, tulejki itp.
Żeliwa stopowe uzyskuje si ę dodając żelazostopy do kadzi przed odlewaniem do form.
Dodanie pierwiastków stopowych powoduje nadanie żeliwom specjalnych w łasności, np.
odporno ści na korozj ę, żaroodporno ści, żarowytrzyma łości lub podwy ższenie ich w łasności
mechanicznych. Żeliwa tego typu stosowane są w przemy śle chemicznym
i petrochemicznym, jako żeliwa konstrukcyjne oraz w przemy śle elektrotechnicznym np. jako
materiały niemagnetyczne lub jako oporniki elektryczne.

4.2.2. Pytania sprawdzaj ące

Odpowiadaj ąc na pytania sprawdzisz, czy jeste ś przygo towany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie znasz sk ładniki strukturalne stopów żelaza z w ęglem?
2. Jak narysowa ć wykres żelazo-węgiel?
3. Jakie znasz rodzaje stopów żelaza z w ęglem?
4. Jakie właściwości posiadaj ą poszczególne stopy żelaza z w ęglem?
5. Czy znasz ogóln ą klasyfikację stali?
6. W jaki sposób st ężenie węgla wpływa na wytrzyma łość na rozciąganie, granic ę
plastyczno ści, twardo ść, wydłużenie i przew ężenie?
7. Jakie potrafisz wskaza ć zastosowania stali w ęglowych?
8. Czy potrafisz okre ślić zastosowania żeliwa?

18. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

17
4.2.3. Ćwiczeni a

Ćwiczenie 1
Scharakteryzuj stopy żelaza z w ęglem.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat stopów żelaza z w ęglem,
2) określić rodzaje stopów żelaza z w ęglem,
3) wykona ć wykres żelazo-węgiel,
4) scharakter yzować stopy żelaza z w ęglem,
5) przedstawi ć powyższe w formie opisowej,
6) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru w kratk ę formatu A4,
– ołówek/długopis,
– przymiar liniowy,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 2
Rozpoznaj przyk ładowe próbki metali i ich stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z cechami charakterystycznymi poszczególnych metali i ich stopów,
2) przygotowa ć próbki metali i stopów metali,
3) określić rodzaj metalu lub stopu przy pomocy ogl ędzin wzrokowych oraz narz ędzi,
4) zanotowa ć wyniki ogl ędzin,
5) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– próbki metali i stopów metali,
– stół warsztatowy,
– lupa,
– młotek,
– piła do metalu,
– pilnik do metalu,
– wiertarka,
– wiertła do metalu,
– notatnik,
– ołówek/długopis,
– literatura z rozdzia łu 6.

19. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

18
Ćwiczenie 3
Zgromad ź i przedstaw przedmioty, narz ędzia ze stali w ęglowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) odszukać w literaturze informacje na ten temat,
2) zgromadzi ć przykładowe przedmioty, narz ędzia ze stali w ęglowych,
3) przedstawi ć i określić poszczególne przedmioty,
4) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– stolik,
– przykładowe przedmio ty ze stali w ęglowych,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 4
Przedstaw graficznie i scharakteryzuj wp ływ węgla na w łasności mechaniczne stali
węglowych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na ten temat ,
2) przedstawi ć graficznie krzywe wytrzyma łości na rozci ąganie, granicy plastyczno ści,
twardości, wydłużenia i przew ężenia w zale żności od masowego st ężenia węgla,
3) scharakteryzowa ć wpływ węgla na w łasności mechaniczne stali w ęglowych,
4) przedstawi ć powyższe w formie opisowej,
5) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru w kratk ę formatu A4,
– ołówek/długopis,
– przymiar liniowy,
– krzywik,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 5
Scharakteryzuj w łaściwości żelaza i jego stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat w łaściwości żelaza i jego stopów,
2) scharakteryzowa ć właściwości żelaza i jego stopów,
3) przedstawi ć powyższe w formie opisowej,
4) dokonać oceny p oprawno ści wykonanego ćwiczenia.

20. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

19
Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru formatu A4,
– ołówek/długopis,
– literatura z rozdzia łu 6.

4.2.4. Sprawdzian post ępów
Tak Nie
Czy potrafisz:

1) określić składniki strukturalne s topów żelaza z w ęglem? ¨ ¨
2) narysowa ć wykres żelazo-węgiel? ¨ ¨
3) określić rodzaje stopów żelaza z w ęglem? ¨ ¨
4) scharakteryzowa ć właściwości poszczególnych stopów żelaza z w ęglem? ¨ ¨
5) przedstawi ć ogólną klasyfikacj ę stali? ¨ ¨
6) scharakteryzowa ć wpływ stężenia węgla na wytrzyma łość na rozciąganie,
granicę plastyczno ści, twardo ść, wydłużenie i przew ężenie? ¨ ¨
7) wskazać zastosowania stali w ęglowych? ¨ ¨
8) określić zastosowania żeliwa? ¨ ¨

21. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

20
4.3. Metale nie żelazne i ich stopy

4.3.1. Materia ł nauczania

Metale nie żelazne
Do metali nie żelaznych zalicza si ę wszystkie metale oprócz żelaza i jego stopów.
Stanowi ą one główne sk ładniki stopów przeznaczonych do pracy w wysokich temperaturach,
przeciwciernych i ró żnorodnych stopów w elektrotechnice.
Zakres stosowania metali nie żelaznych okre ślają ich własności.

Tabela 3. Podstawowe w łasności niektórych metali nie żelaznych [5, s. 342]

Własności fizyczne i mechaniczne
Metal
Symbol
chemiczny
Ciężar
właściwy
[kG/cm
3
]
Temperatura
topnienia
[
0
C]
Przewodność
elektryczna
[om.mm
2
/m]
Twardo ść
[kG/mm
2
]
Wytrzyma łość
na rozci ąganie
[kG/mm
2
]
Wydłużenie
jednostkowe
[%]
Magnez Mg 1,74 651,0 0,045 25 15 40
Glin (aluminium) Al 2,70 660,0 0,026 28 9 40
Tytan Ti 4,50 1660,0 0,475 105 34 40
Antymon Sb 6,60 630,5
Cynk Zn 7,14 419,5 0,057 36 8 12
Chrom Cr 7,19 1550,0
Mangan Mn 7,20 1260,0
Cyna Sn 7,28 232,0 0,115 5 2 40
Kadm Cd 8,65 321,0
Kobalt Co 8,83 1495,0
Nikiel Ni 8,90 1452,0 0,072 60 45 40
Miedź Cu 8,93 1038,0 0,017 35 22 60
Srebro Ag 10,50 960,8 0,016
Ołów Pb 11,34 327,4 0,188 5 2 50
Wolfram W 19,30 3370,0

Krótka charakterystyka podstawowych metali nie żelaznych podana jest poni żej.
Magnez jest metalem najl żejszym z metali konstrukcyjnych, srebrzystobia łym, z silnym
połyskiem. W powietrzu pokrywa si ę warstewk ą tlenku magnezu, matowieje. Ogrzany do
temperatury 700
0
C w atmosferze powietrza ulega samozap łonowi. Jest kowalny i ci ągliwy.
W stanie czystym ma ograniczone zastosowanie, g łównie w pirotechnice. Jest stosowany
głównie do produkcji stopów oraz jako odtleniacz, reduktor i modyfikator stopów.
Aluminium jest jednym z l żejszych metali. Jest srebrzystobia łe, kowalne, bardzo
ciągliwe, jest dobrym przewodnikiem ciep ła i elektryczno ści, charakteryzuje si ę dobrą
lejnością, ma jednak do ść duży skurcz. Stosowane jest przy wytwarzaniu aparatury
chemicznej i folii kondensatorowych, stosuje si ę równie ż na pow łoki kablowe, na przewody
elektryczne, w przemy śle spożywczym oraz do aluminiowania dyfuzyjnego stali.
Tytan, podobnie jak aluminium i magnez, mo żna zaliczy ć do metali lekkich.
Charakteryzuje si ę dość dużą wytrzyma łością i plastyczno ścią, małym ciężarem w łaściwym,
odporno ścią na korozj ę atmosferyczn ą, w wodzie morskiej i kwasach organicznych. Jest
stosowany w postaci blach, ru r, drutu i pr ętów, przede wszystkim w przemy śle lotniczym
i rakietowym.
Cynk jest metalem średnio twardym, w normalnej temperaturze jest kruchy,
w temperaturze 100-150
0
C staje si ę kowalny i ci ągliwy, daje si ę walcowa ć na cienkie blachy
i drut. Jest meta lem o dobrej przewodno ści cieplnej i elektrycznej, odporny na dzia łanie
czynników atmosferycznych. Stosowany jest do pokrywania żelaza (g łównie blach) w celu

22. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

21
ochrony przed korozj ą, pokrywania powierzchni elementów, wyrobu takich stopów jak
mosiądze, brązy, lutowia.
Chrom jest twardy, trudno topliwy, odporny na korozj ę. Szeroko stosowany jest do
pokrywania galwanicznego (chromowania) przedmiotów stalowych i mosi ężnych w celach
dekoracyjnych i antykorozyjnych. Zwi ązki chromu stosowane s ą do produkcji garbnikó w,
farb, elektrolitów do ogniw galwanicznych, materia łów ogniotrwa łych i innych.
Miedź jest metalem o barwie czerwonawo -brązowej, niezbyt twardym, ci ągliwym
i kowalnym. Poza srebrem jest najlepszym przewodnikiem ciep ła i elektryczno ści. Wyrabia
się z niej różnego rodzaju wymienniki ciep ła, stosowana jest na przewody napowietrzne
i trakcyjne, wyroby bimetaliczne, np. rury, druty, a tak że na pokrycia dachowe itp.
Ołów stanowi bardzo mi ękki, ciężki, plastyczny, łatwo topliwy metal matowoszary,
kowalny, o nie wielkiej wytrzyma łości. Jest odporny na dzia łanie kwasów siarkowego
i solnego. Stosowany jest szeroko w przemy śle chemicznym, s łuży do wyrobu p łyt
akumulatorowych. Nadtlenek o łowiu (minia) jest szeroko stosowany jako rdzoochronna
powłoka konstrukcji i wyr obów stalowych. Tlenek o łowiu (glejta) u żywany jest do
wulkanizacji kauczuku, do wyrobu szk ła kryszta łowego, kitów, farb itp. Czteroetylek o łowiu
używany jest jako skuteczny środek przeciwstukowy do benzyny.

Stopy metali nie żelaznych
Zastosowanie czystych metali nie żelaznych ze wzgl ędu na ich w łaściwości jest
ograniczone. Do najwa żniejszych stopów metali nie żelaznych zalicza si ę stopy: aluminium,
magnezu, tytanu, miedzi, niklu, cynku, cyny i o łowiu.
Stopy aluminium po odpowiedniej obróbce cieplnej maj ą wytrzymałość nawet
kilkakrotnie wi ększą niż czyste aluminium. Stopy te charakteryzuj ą się korzystnym
parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzyma łości do ci ężaru właściwego, który
jest większy ni ż dla stali. Oprócz tego ich udarno ść w miar ę obniżania temperatury nie
maleje, dzi ęki czemu w niskich temperaturach maj ą większą udarno ść niż stal. Stopy
aluminium dzieli si ę na odlewnicze oraz do obróbki plastycznej. Do odlewniczych zalicza si ę
stopy wielosk ładnikowe o wi ększej zawarto ści pierwiastków stopowyc h (5-25%), np.
z krzemem, z krzemem i magnezem, z krzemem, miedzi ą, magnezem i manganem,
z krzemem, miedzi ą niklem, magnezem i manganem. Stopy do obróbki plastycznej zawieraj ą
mniejsze ilo ści dodatków stopowych, g łównie mied ź (do ok. 5%), magnez (do ok. 6%)
i mangan (do 1,5%), rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom tytan.

Tabela 4. Wybrane stopy odlewnicze aluminium [4, s. 384]

23. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

22
Tabela 5. Wybrane stopy aluminium do obróbki plastycznej [4, s. 386]



Stopy magnezu cechuj ą się dobrą wytrzyma łością (do 350 MPa) i bardzo ma łą gęstością
(ok. 1,8 g/cm
3
). Jako dodatki stopowe stosuje si ę aluminium, cynk, mangan, krzem, cer,
cyrkon i metale ziem rzadkich. Aluminium w stopach magnezu do zawarto ści 6% zwi ększa
wytrzyma łość i wydłużenie stopów w stanie lanym. Rów nież cynk polepsza lejno ść stopów
magnezu, a przy jego zawarto ści 5% stop ma maksymaln ą wytrzyma łość i wyd łużenie.
Z kolei mangan zwi ększa wytrzyma łość stopów magnezu oraz poprawia odporno ść na
korozję, a poza tym umo żliwia ich spawanie. Cyrkon i cer doda wane do stopów do obróbki
plastycznej rozdrabniaj ą ziarno i podnosz ą własności mechaniczne stopów w podwy ższonych
temperaturach. Podobnie jak w przypadku stopów aluminium stopy magnezu dzieli si ę
również na stopy odlewnicze oraz do obróbki plastycznej.

24. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

23
Tabela 6. Stopy odlewnicze magnezu [4, s. 395]


Tabela 7. Stopy magnezu do obróbki plastycznej [4, s. 396]

25. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

24
Stopy miedzi ze wzgl ędu na ich wy ższe niż czystej miedzi w łasności wytrzyma łościowe
stosuje si ę przede wszystkim jako tworzywo konstrukcyjne. Pierw iastki stopowe to g łównie:
cynk, cyna, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan, o łów. Stopy miedzi z cynkiem nazywa
się mosiądzami, natomiast z cyn ą lub innymi metalami – brązami. Stopy miedzi z niklem
nazywa si ę miedzioniklami.

Tabela 8. Mosiądze do obró bki plastycznej [4, s. 405]



W brązach cynowych cyna w zasadniczy sposób wp ływa na w łasności brązu, jej
zawarto ść w brązach nie przekracza na ogó ł 20%. Dodatek do ok.8% cyny powoduje wzrost
wytrzyma łości i plastyczno ści. Przy wy ższych zawarto ściach wyd łużenie gwa łtownie maleje.
Spadek wytrzyma łości następuje dopiero przy zawarto ści powy żej 25%. Br ązy dzieli si ę
w zależności od ich przeznaczenia na odlewnicze i do obróbki plastycznej. Stopy odlewnicze
są stosowane cz ęściej i maj ą większe zastosowanie. Ce chują się wyjątkowo ma łym skurczem
(<1%), nie wyst ępuje w nich jama usadowa powoduj ąca, że odlewy z br ązu są mało zwarte.
Zawarto ść cyny w br ązach odlewniczych wynosi zwykle ok. 10%, przy czym mog ą równie ż
zawiera ć dodatek fosforu (do 1,2%) oraz cynku i o łowiu. Fosfor odtlenia stop, powoduje jego
utwardzenie, ale obni ża plastyczno ść, co sprawia, że brązy cynowo -fosforowe s ą stosowane
na odlewy, od których wymaga si ę odporno ści na ścieranie (np. panewki, ko ła ślimakowe,
sprężyny). Ołów w ilości 3-6% polepsza skrawalno ść brązu.
Do obróbki plastycznej stosuje si ę brązy o ni ższej zawarto ści cyny (4 -6%). Przed
obróbka plastyczn ą brązy takie nale ży podda ć wyżarzaniu ujednorodniaj ącemu
w temperaturze 720-750
0
C przez kilka godzin, w wyniku czego uzyskuj ą jednorodn ą
struktur ę podatn ą do obróbki plastycznej. Br ązy o niższej zawarto ści cyny mo żna obrabia ć na
zimno, o wy ższej zawarto ści na gor ąco. Wybrane stopy br ązu zestawiono w tabeli 9.

26. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

25
Tabela 9. Brązy odlewnicze [4, s. 412]



Stopy niklu wyst ępują przede wszystki m z miedzi ą, z miedzi ą i cynkiem oraz z chromem.
Stopy z miedzi ą (tzw. monele) s ą głównie stosowane jako stopy odporne na korozj ę. Można
je poddawa ć obróbce plastycznej na zimno i na gor ąco. Monele maj ą wysokie w łasności
wytrzyma łościowe (R m do 700 MPa) i antykorozyjne, które zachowuj ą aż do temperatury
500
0
C. Są stosowane na łopatki turbin parowych oraz elementy aparatury chemicznej, a tak że
jako druty oporowe i do wytwarzania wyrobów galanteryjnych. Stopy niklu z miedzi ą
i cynkiem znalaz ły zastosowanie d o wyrobu galanterii, przedmiotów ozdobnych i sztu ćców.
Stopy niklu z chromem s ą żarowytrzyma łe. Są stosowane g łównie na elementy grzewcze
pieców.
Stopy cynku najwi ększe zastosowanie znalaz ły jako stopy z aluminium o zawarto ści 3,5-
30% Al, tzw. znale. Opróc z aluminium zawieraj ą one zwykle do 5% miedzi i 0,05%
magnezu. Stopy cynku przeznaczone s ą zarówno do obróbki plastycznej jak i do odlewania.
Największe znaczenie maj ą stopy dwusk ładnikowe o zawarto ści 4% Al i trójsk ładnikowe (4%
Al. + 1- 3% Cu). Mo żna je stosować zarówno w postaci odlewów jak i obrabia ć plastycznie.
Stopy cynku o wi ększej zawarto ści aluminium s ą stosowane na odlewy. Obróbk ę plastyczn ą
znali przeprowadza si ę w podwy ższonych temperaturach (200 -300
0
C). Obróbk ę znali
z miedzi ą poniżej 240
0
C lub powy żej 300
0
C. Stopy cynku stosuje si ę szeroko w postaci
odlewów ci śnieniowych, np. korpusy i obudowy ró żnych urz ądzeń i aparatów, pokrywy,
części maszyn do pisania i liczników, ga źniki, klamki itp. W stanie obrobionym maj ą wysoką
wytrzyma łość na rozciąganie i dobr ą plastyczno ść.

27. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

26
Tabela 10. Wybrane stopy cynku odlewnicze i do obróbki plastycznej [4, s. 423]


Stopy cyny i o łowiu znalaz ły liczne zastosowania w technice, np. jako stopy łożyskowe,
lutowia, stopy niskotopliwe, drukarskie. W łasności wytrzyma łościowe cyny i o łowiu są niskie
(Rm poniżej 20 MPa, ok. 4 HB), za to s ą bardzo plastyczne.
Dużą rolę odgrywaj ą stopy łożyskowe u żywane do wylewania panewek łożysk
ślizgowych w samochodach, wagonach i innych maszynach. Charakteryzuj ą się dużą
odporno ścią na ścieranie i odgrywaj ą jednocze śnie rolę nośną. Stopy łożyskowe maj ą dobre
właściwości odlewnicze i niezbyt wysok ą temperatur ę topnienia. Najlepsze w łasności maja
stopy na osnowie cyny z dodatkiem miedzi i antymonu. Mog ą one przenosi ć wysokie naciski
powierzchniowe (powy żej 10 MPa) przy pr ędkości obwodowej ponad 5 m/s.
Lutowia dzieli si ę na miękkie i twarde. Lutowanie ma na celu łączenie metali bez ich
nadtapiania i ten warunek spe łniają lutowia.
Stopy niskotopliwe s ą to stopy wielosk ładnikowe osi ągające temperatury topnienia ni ższe
od 100
0
C. Znajduj ą one zastosowanie na bezpieczniki, czujniki przeciwpo żarowe, odlewy
precyzyjne oraz do inkludowania zg ładów metalograficznych.
Stopy drukarskie wykorzystuje si ę w przemy śle poligraficznym. S ą to stopy o łowiu
z dodatkiem antymonu i cyny, niekiedy równie ż stopy cynku z dodatkiem Al., Cu i Mg.

Spieki metaliczne
Jedną z metod wytwarzania stopów jest spiekanie proszków metali. Obecnie wytwarza
się tą metod ą różne części maszyn i mechanizmów, w tym równie ż materia ły łożyskowe
i elementy cierne, a tak że styki elektryczne, metale trudnotopliwe, p łytki skrawaj ące (ostrza
zębów pił do tworzyw drzewnych, frezów, wierte ł i innych narz ędzi skrawaj ących do drewna)
i kompozyty metalowo-ceramiczne.

28. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

27
Proces wytwarzania spieków składa si ę z dwóch podstawowych operacji
technologicznych: formowania kszta łtek z proszków metali przez prasowanie w matrycach,
i spiekania, polegaj ącego na wygrzewaniu kszta łtek w atmosferze ochronnej poni żej
temperatury topnienia przewa żającego sk ładnika.
Metalurgia proszków posiada nast ępujące zalety:
– możliwość formowania gotowych elementów bez potrzeby kosztownej obróbki
mechanicznej (np. ko ła zębate, krzywki, sitka do maszynek do mi ęsa),
– niewielki koszt produkcji przy jej masowym charakterze,
– możliwość wytwarzania tworzyw o sk ładzie i strukturze nieosi ągalnych innymi
metodami (np. wolfram- srebro na styki, br ąz-grafit na łożyska, w ęglik wolframu -kobalt
na płytki skrawaj ące, materia ły metalowo -ceramiczne),
– możliwość automatyzacji procesu wytwarzania,
– małe zużycie materia łów i energii.
Wyroby wytwarzane metod ą metalurgii proszków mo żna podzieli ć na trzy grupy:
– spieki na bazie żelaza (spiekane stale),
– spieki na bazie metali nie żelaznych ( łożyska, styki),
– spieki metalowo- ceramiczne (kompozyty, materia ły cierne).
W spiekach na bazie żelaza znaczny udzia ł stanowi ą spiekane stale w ęglowe lub
stopowe. Stale w ęglowe otrzymuje si ę drogą spiekania mieszanek proszku żelaza i grafitu.
Stale stopowe wytwarza si ę jako spieki Fe -Cu lub Fe-Cu- C, o zawarto ści miedzi do kil ku
procent. Spieki te mog ą być poddawane utwardzaniu wydzieleniowemu. Spieki Fe -Ni cechuje
wyższa wytrzyma łość, a ponadto w odró żnieniu od spieków Fe -Cu dość dobra ci ągliwość.
Spiekane stale nadaj ą się do obróbki cieplno -chemicznej, najkorzystniejsze jest
węgloazotowanie.
Spieki na bazie metali nie żelaznych to najcz ęściej spieki na bazie miedzi – brązy,
mosiądze cynkowe i niklowe. Ze spiekanej miedzi wykonuje si ę części maszyn elektrycznych
(komutatory, pier ścienie, styki). Wi ększą wytrzyma łość wykazuj ą spieki z br ązu lub
mosiądzu, wykonywane z proszków stopowych. Ze spieków tych wyrabia si ę części
użytkowe do maszyn i mechanizmów. Samosmaruj ące tuleje łożysk ślizgowych produkuje si ę
zarówno ze spieków na osnowie żelaza jak i br ązu. Do oddzielnej grupy mater iałów
łożyskowych nale żą warstwy ślizgowe napiekane na ta śmę stalow ą. Taśmy z napieczon ą
warstwą ślizgową tnie si ę na części i wygina, wytwarzaj ąc półpanewki łożysk ślizgowych,
stosowane w silnikach spalinowych.
Spieki metalowo- ceramiczne zalicza si ę do ma teriałów kompozytowych. Celem ich
wytwarzania jest uzyskanie optymalnych w łasności w grupie materia łów ciernych lub
żarowytrzyma łych. Cech ą szczególn ą spiekanych materia łów ciernych jest du ży udział porów
zwiększających dynamiczny wspó łczynnik tarcia. G łówne zastosowanie materia łów ciernych
to hamulce i sprz ęgła. W materia łach kompozytowych żarowytrzyma łych cząstki ceramiczne
zawarte w osnowie metalowej powoduj ą powstrzymywanie procesów os łabiających
zachodz ących w wysokiej temperaturze. Drog ą spiekania wyt warza si ę równie ż materia ł
przeznaczony na w łókna lamp. Dodatek tlenku toru do wolframu wyd łuża znacznie czas
eksploatacji żarówek, ograniczaj ąc odkszta łcenia w łókien pod w łasnym ci ężarem. Obecnie
wytwarza si ę spieki nazywane cermetalami, sk ładające się z tlenku metalu i osnowy
metalowej. Cermetale znalaz ły zastosowanie na kokile, os łony termopar, w przemy śle
rakietowym i energetyce j ądrowej. Do materia łów żaroodpornych zalicza si ę równie ż SAP
(ang. Sintered Aluminium Powder – spiekany proszek aluminium). Jest on prasowany na
gorąco, a nast ępnie wciskany na gor ąco. Może pracowa ć w temperaturze do 450
0
C nie trac ąc
własności wytrzyma łościowych. Jest stosowany na t łoki silników spalinowych i os łony
prętów paliwowych reaktorów.

29. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

28
4.3.2. Pytania sprawdzaj ące

Odpowiadając na pytania sprawdzisz, czy jeste ś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie znasz g łówne metale nie żelazne?
2. Jak można scharakteryzowa ć podstawowe w łasności metali nie żelaznych?
3. Jakie potrafisz wskaza ć zastosowania metali nie żelaznych?
4. Jakie znasz s topy metali nie żelaznych?
5. Jakie właściwości posiadaj ą poszczególne stopy metali nie żelaznych?
6. Jakie zastosowanie maj ą poszczególne stopy metali nie żelaznych?
7. Jak możemy przedstawi ć w formie tabelarycznej sk ład chemiczny wybranych stopów?
8. Jak można scharakt eryzowa ć metalurgi ę proszków?
9. Jakie potrafisz wskaza ć zastosowania wyrobów wytwarzanych metod ą metalurgii
proszków?

4.3.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1
Scharakteryzuj stopy metali nie żelaznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapo znać się z literatur ą na temat stopów metali nie żelaznych,
2) określić rodzaje stopów metali nie żelaznych,
3) scharakteryzowa ć poszczególne stopy metali nie żelaznych,
4) przedstawi ć powyższe w formie opisowej,
5) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru formatu A4,
– ołówek/długopis,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 2
Rozpoznaj przyk ładowe próbki metali nie żelaznych i ich stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z cechami charakterystycznymi poszczególnych metali nie żelaznych i ich
stopów,
2) przygotowa ć próbki metali nie żelaznych i stopów metali nie żelaznych,
3) określić rodzaj metalu lub stopu przy pomocy ogl ędzin wzrokowych oraz narz ędzi,
4) zanotowa ć wyniki ogl ędzin,
5) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

30. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

29
Wyposa żenie stanowiska pracy:
– próbki metali nie żelaznych i stopów metali nie żelaznych,
– stół warsztatowy,
– lupa,
– młotek,
– piła do metalu,
– pilnik do metalu,
– wiertarka,
– wiertła do metalu,
– notatnik,
– ołówek/długopis,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 3
Zgromad ź i przedstaw przedmioty, narz ędzia, elementy maszyn i urz ądzeń wykonane
z metali nie żelaznych lub ich stopów.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) odszukać w literaturze informacj e na ten temat,
2) zgromadzi ć przykładowe przedmioty, narz ędzia elementy maszyn i urz ądzeń wykonane
z metali nie żelaznych lub ich stopów,
3) przedstawi ć i określić poszczególne przedmioty,
4) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– stolik,
– przykładowe przedmioty wykonane z metali nie żelaznych lub ich stopów,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 4
Określ własności i zastosowanie wybranych stopów metali nie żelaznych.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat w łasności i zastosowania stopów metali nie żelaznych,
2) określić własności wybranych stopów metali nie żelaznych,
3) określić zastosowanie wybranych stopów metali nie żelaznych,
4) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposażenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru formatu A4,
– ołówek/długopis,
– literatura z rozdzia łu 6.

31. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

30
Ćwiczenie 5
Scharakteryzuj metod ę wytwarzania stopów poprzez spiekanie.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat metalurgii proszków,
2) scharakteryzowa ć metodę wytwarzania stopów poprzez spiekanie,
3) przedstawi ć powyższe w formie opisowej,
4) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru formatu A4,
– ołówek/długopis,
– literatura z rozdzia łu 6.

4.3.4. Sprawdzian post ępów
Tak Nie
Czy potrafisz:

1) określić główne metale nie żelazne? ¨ ¨
2) scharakteryzowa ć podstawowe w łasności metali nie żelaznych? ¨ ¨
3) wskazać zastosowani a metali nie żelaznych? ¨ ¨
4) określić stopy metali nie żelaznych? ¨ ¨
5) scharakteryzowa ć właściwości poszczególnych stopów metali
nieżelaznych? ¨ ¨
6) określić zastosowanie poszczególnych stopów metali nie żelaznych? ¨ ¨
7) zestawić w formie tabelaryczne j skład chemiczny wybranych stopów
metali nie żelaznych? ¨ ¨
8) scharakteryzowa ć metalurgi ę proszków? ¨ ¨
9) wskazać zastosowanie wyrobów wytwarzanych metod ą metalurgii
proszków? ¨ ¨

32. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

31
4.4. Podstawy oblicze ń wytrzyma łościowych materia łów

4.4.1. Materia ł nauczania

Wytrzyma łość materia łów jest nauk ą zajmuj ącą się zachowaniem cia ł stałych pod
wpływem dzia łających na nie si ł i momentów si ł. Określa się zależności między siłami
zewnętrznymi (obci ążeniami) a si łami wewn ętrznymi (mi ędzycząsteczkowymi ) ciała stałego.
Metalowe materia ły konstrukcyjne maj ą budow ę krystaliczn ą charakteryzuj ącą się
niejednorodno ścią ziaren. Przy obliczaniu wytrzyma łości elementów konstrukcyjnych
przyjmuje si ę, że rozpatrywane materia ły są ośrodkiem ci ągłym (jednolitym) i j ednorodnym,
czyli maj ą jednakowe w łaściwości wytrzyma łościowe we wszystkich kierunkach.
W nauce wytrzyma łości materia łów metalowe elementy konstrukcyjne nie s ą ciałami
doskonale sztywnymi, lecz posiadaj ą następujące właściwości:
– odkszta łcalność, tj, zdolno ść do zmiany postaci geometrycznej pod wp ływem si ły
zewnętrznej (obci ążenia) lub zmiany temperatury,
– sprężystość (elastyczno ść), tj. zdolno ść powrotu do postaci pierwotnej po usuni ęciu
obciążenia, które spowodowa ło odkszta łcenie,
– plastyczno ść, tj. zdolno ść do odkszta łceń trwałych, tzn. takich, które nie znikaj ą po
usunięciu obci ążeń je wywo łujących,
– wytrzyma łość, tj. najwi ększą wartość obciążenia, po przekroczeniu której nast ępuje utrata
spójności cząsteczek materia łu powoduj ąca zniszczenie (rozerwanie, zgn iecenie,
złamanie, ukr ęcenie) cz ęści konstrukcyjnej.
Na element konstrukcyjny mog ą działać siły zewn ętrzne skupione, obci ążenia
równomiernie roz łożone oraz pary si ł. Rozpatrywany element mo że być w pewnych
miejscach zawieszony, podparty lub ustalony.
W sprężystym ciele sta łym na skutek dzia łania siły zewn ętrznej mi ędzy sąsiednimi
cząsteczkami cia ła wyst ępują siły wewn ętrzne, które nazywamy napr ężeniami. S ą one
najczęściej skierowane uko śnie do powierzchni pomy ślanego przekroju. Sk ładową naprężenia
prostopa dłą do przekroju nazywa si ę naprężeniem normalnym σ, natomiast sk ładową styczną
naprężeniem stycznym τ. Naprężenia normalne wywo łują zmiany d ługości (wyd łużenia lub
skrócenia), natomiast napr ężenia styczne zmiany k ąta.

Rozciąganie i ściskanie
Naprężenia tnące wyst ępują nie tylko wtedy, gdy zewn ętrzne si ły działają przesuwaj ąco
lub tnąco, ale równie ż przy prostym rozci ąganiu i ściskaniu w przekrojach uko śnych (nie
prostopad łych do osi pr ęta). Napr ężenia rozci ągające uwa ża się za dodatnie, natomiast
ściskające za ujemne. Przeprowadzaj ąc ukośny przekrój 2 -2 pod k ątem α względem przekroju
1-1 otrzymamy sk ładowe si ły P: siłę normaln ą PN = P cos α oraz siłę styczną PT = P sin α.


Rys. 6. Jednoosiowy stan napr ężeń [2, s. 149]

33. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

32
Pole powierzchni uko śnej wynosi F 1 = F/ cos α. Naprężenia przypadaj ące na 1 cm
2

powierzchni 2- 2 wynosz ą:
P N P cos
2
α
naprężenia normalne: σα = = = σ cos
2
α
F 1 F

P T P sin α cos α σ
naprężenia styczne: τα = = = σ sin α cos α = sin 2 α
F 1 F 2

Zależności wyra żone powy ższymi równaniami mo żna przedstawi ć za pomoc ą koła
naprężeń Mohra, którego średnica jest równa σ.


Rys. 7. Koło naprężeń Mohra [2, s. 150]

W ukośnych przekrojach przy prostym rozci ąganiu lub ściskaniu wyst ępują naprężenia
tnące, których warto ść osiąga połowę wartości naprężenia normalnego. Zauwa żyć to można
na próbkach poddanych rozci ąganiu lub ściskaniu, których materia ł ma ma łą wytrzyma łość na
ścinanie. W próbkach tych nast ępuje niszczenie nie w płaszczyźnie prostopad łej do osi
działania, ale w p łaszczyźnie ukośnej, prawie pod k ątem 45
0
.
Obliczenia warto ści odkszta łceń sprężystych elementów dokonuje si ę na podstawie
prawa Hooke’a, które brzmi: przy odkszta łceniach spr ężystych wyd łużenie (skróce nie) pręta
rozciąganego ( ściskanego) jest wprost proporcjonalne do warto ści siły rozciągającej
(ściskającej) F i do jego d ługości pocz ątkowej l 0, a odwrotnie proporcjonalne do pola
powierzchni przekroju S 0 i modu łu sprężystości Younga E.
Prawo to mo żna wyrazić wzorem:
F· l 0
l - l 0 =
E·S 0
gdzie:
l – końcowa długość próbki,
l0 – początkowa d ługość próbki,
F – siła działająca na materia ł,
E – moduł sprężystości Younga, który ma warto ść stałą dla danych materia łów i dla stali
wynosi 21000 kG/mm
2
,
S0 – pole przekroju poprzecznego próbki.

34. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

33
Stosunek si ły F do przekroju elementu S 0 nazywa si ę naprężeniem.
W czasie rozci ągania wyd łużenie elementu zmienia si ę nierównomiernie i równocze śnie
zmniejsza si ę jego przekrój. Si ła rozciągająca i wyd łużenie prze dstawia poni ższy wykres, na
którym na osi odci ętych zarejestrowano wyd łużenie próbki Δl, a na osi rz ędnych si łę
rozciągającą P.



Rys. 8. Wykres rozci ągania stali niskow ęglowej [2, s. 151]

Przebieg krzywej rozci ągania od punktu O do H jest prostoliniowy , co wskazuje
proporcjonalno ść między siłą a wydłużeniem. Punkt H (z prawa Hooke’a) wyznacza granic ę
proporcjonalno ści. Przy wzro ście obci ążenia od punktu H do s nast ępuje szybszy przyrost
wydłużenia i linia lekko si ę zagina. Granica, przy której odkszta łcenie trwa łe po odci ążeniu
będzie mniejsze od 0,02% i element powróci do pierwotnej d ługości (punkt s), nazywa si ę
granicą sprężystości. W przedziale od punktu s do e zaczyna wyst ępować trwała zmiana
długości. Od punktu e do e 1 zaczyna si ę nagłe obniżenie wartości siły, element wyd łuża się
trwale (p łynie). Punkt e wyznacza górn ą granic ę plastyczno ści, a punkt e 1 dolną. Przy
dalszym wzro ście wyd łużenia krzywa ro śnie do punktu m i ko ńczy się w punkcie
z zerwaniem elementu.
Przebieg ściskania elementu ze stali miękkiej przedstawiaj ą poniższe rysunki.






Na pocz ątku ściskania – do punktu H – naprężenia są proporcjonalne do odkszta łcenia
podłużnego. Równocze śnie nast ępuje zwi ększenie przekroju elementu przy zmniejszeniu
objętości i tej samej warto ści odkszt ałcenia wzgl ędnego poprzecznego, podobnie jak przy
rozciąganiu. Punkt e okre śla granic ę zgniecenia elementu.
Rys. 9. Wykres ściskania dla
stali mi ękkiej [2, s. 155]
Rys. 10. Skrócenie pod łużne i poszerzenie
poprzeczne przy ściskaniu [2, s. 155]

35. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

34
Ścinanie
Siły styczne dzia łające na element powoduj ą równoleg łe przesuni ęcie jego przekrojów.
Miarą tego przesuni ęcia (lub po ślizgu) jest zmiana k ąta odkszta łcenia postaciowego wyra żona
w mierze łukowej:
Δf
γ = = tg γ
Δx

gdzie: γ – kąt odkszta łcenia postaciowego (odkszta łcenie kątowe poprzeczne).


Rys. 11. Odkształcenie równoleg łościanu pod wp ływem
naprężeń stycznych [2, s. 161]

Przy napr ężeniach normalnych wyst ępuje proporcjonalna zale żność między napr ężeniem
σ a wsp ółczynnikiem spr ężystości podłużnym α, lub modu łem sprężystości podłużnej E,
wyrażona wyd łużeniem wzgl ędnym:
1
ε = α σ = σ
E
1
gdzie: E = .
α
Podobnie wyst ępuje zale żność proporcjonalna przy przesuni ęciu Δf między wywo łanym
naprężeniem stycznym τ a wsp ółczynnikiem spr ężystości poprzecznej β lub modu łem
sprężystości poprzecznej G wyra żona kątem odkszta łcenia postaciowego:

1
γ = β τ = τ
G

1
gdzie: G = MPa.
β
Między wspó łczynnikiem spr ężystości podłużnej α a wsp ółczynnikiem spr ężystości
poprzecznej β występuje nast ępująca zale żność wynikaj ąca z uzale żnienia pod łużnych
wydłużeń od poprzecznych przesuni ęć za pomoc ą współczynnika Poissona:

υ = 1/m
α m 1
= =
β 2 (m+1) 2 (1+ υ)

36. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

35
1
stąd β = 2 (1+ υ) α lub α = β
2 (1+ υ)

Dla liczby Poissona m = 3 ÷ 4, czyli υ = 1/m = 0,33 ÷ 0,25
β = (2,67 do 2,5) α
α = (0,375 do 0,4) β
Z powy ższych wzorów otrzymujemy:
E E
G = ; E = 2 (1+ υ) G oraz υ = - 1
2 (1+ υ) 2 G

Naprężenia ścinające (tnące) wyst ępują przy po łączeniach nitowa nych, sworzniowych,
spawanych i śrubowych.

Cechy wytrzyma łościowe elementów konstrukcyjnych
Własności wytrzyma łościowe materia łów, z których wykonane s ą elementy
konstrukcyjne, nie zale żą od samego materia łu, ale równie ż od jego jednorodno ści, kszta łtu
i wielkości elementu oraz charakteru obci ążenia.
Rozróżnia się następujące rodzaje obci ążeń:
– statyczne (trwa łe), tzn. sta łe lub powoli narastaj ące i ustępujące,
– dynamiczne (udarowe), tzn. narastaj ące i ustępujące z dużą prędkością,
– zmienne powtarzalne,
– poch odzące od drga ń.
Równomierny rozk ład napr ężeń występuje tylko w pr ętach pryzmatycznych lub pr ętach
o łagodnie zmieniaj ącym się przekroju. W miejscach nagle zmieniaj ącego si ę przekroju,
powstałego przez nawiercenie, podtoczenie, naci ęcie, rysy powierzchnio we, pory, wtr ącenia,
korozję, naprężenie nie rozk łada się równomiernie na ca łym przekroju, lecz wyst ępuje
spiętrzenie lub koncentracja napr ężeń. Stosunek napr ężenia maksymalnego do średniego
występującego w rozpatrywanym przekroju nosi nazw ę współczynnika kształtu.
Wpływ nierównomiernie roz łożonych napr ężeń należy uwzgl ędnić przy stosowaniu
materiałów ciągliwych i kruchych. Dla materia łów ciągliwych, np. mi ękkiej stali, napr ężenie
maksymalne powinno by ć mniejsze od granicy spr ężystości, poniewa ż przy dalszy m
bezudarowym wzro ście obci ążenia mo żna przekroczy ć granic ę plastyczno ści, co przy
osłabionym przekroju i zmniejszonym obszarze mo żliwości przew ężenia powoduje szybkie
zerwanie pr ęta. Przy obci ążeniu udarowym, a szczególnie przy ci ągłym obci ążeniu
zmiennym , należy uwzgl ędnić wzrost napr ężenia lub unika ć nagłej zmiany przekroju.
W przypadku materia łów kruchych ( żeliwo, br ąz, twarda stal) oraz przy nierównomiernym
rozkładzie napr ężeń należy się starać, aby napr ężenie maksymalne by ło mniejsze od
dopuszczalneg o naprężenia na rozerwanie dla danego przypadku obci ążenia.
Dla prętów zwisaj ących napr ężenie rozci ągające okre śla się uwzględniając ich ci ężar
własny:
P ρ g l
σr = + ≤ kr MPa
F 10 000

gdzie:
P – siła obciążająca pręt [daN],
F – pole przekroju [cm
2
],
ρ – gęstość [g/cm
3
],

37. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

36
g – przyspieszenie ziemskie 9,81 m/s
2
,
l – długość pręta [cm].

Zginanie pr ęta prostego
Schematycznie przedstawiono poni żej belk ę pryzmatyczn ą ustawion ą na dwóch
podporach w skrajnych mie jscach, których reakcje A i B oraz si ła obciążająca P leżą w jednej
płaszczyźnie i są prostopad łe do osi belki.


Rys. 12. Belka na podporach [2, s. 166]

Osią belki (pr ęta) nazywa si ę prostą przechodz ącą przez środki ci ężkości pól przekrojów
poprzecznyc h. Na skutek zginania belki si łą P oś belki przekszta łca się w linię krzywą. Jeżeli
ta linia le ży w płaszczyźnie momentów zginaj ących, mamy do czynienia ze zginaniem
prostym, natomiast gdy odkszta łcona linia nie pozostaje w tej p łaszczyźnie, to zginanie
nazywamy uko śnym.
Siła poprzeczna Q jest równa i równoleg ła do wypadkowej wszystkich si ł zewnętrznych
prostopad łych do osi belki znajduj ących się po lewej stronie danego przekroju. Nazywa si ę ją
dodatnią, gdyż skierowana jest w gór ę, natomiast dla prawej cz ęści belki jest ujemn ą, gdyż
działa w dół.
Moment zginaj ący (gnący) Mgz = ∑ Qz Δz = Qz z, stąd siła poprzeczna Q z = Mgz/z.
Moment zginaj ący Mg można obliczy ć od wypadkowej si ł lub jako algebraiczn ą sumę
momentów si ł składowych znajduj ących się po lewej str onie danego przekroju, wzgl ędem
jego środka ci ężkości. Wykres momentu zginaj ącego rysuje si ę po stronie napr ężeń
rozciągających.

Skręcanie
Skręcanie ma miejsce gdy na pr ęt jednostronnie zamocowany dzia ła para si ł wywołująca
zewnętrzny moment obrotowy M o = Pa. Na poni ższym rysunku poszczególne s ąsiednie
przekroje na skutek dzia łania momentu M o obracają się stycznie wzgl ędem siebie tak, że na

38. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

37
całkowitej d ługości pręta l prosta OB. obracaj ąc się o kąt φ przyjmuje po łożenie OB 1,
natomiast tworz ąca walca AB prz echodzi w lini ę śrubową AB1 o wzniosie 90
0
-γ.


Rys. 13. Odkształcenia przy skr ęcaniu [2, s. 197]

Przyjmuj ąc, że τ0 jest napr ężeniem stycznym dzia łającym na promieniu jednostkowym
ρ = 1, oraz proporcjonalno ść zachodz ącą między wyd łużeniami a napr ężeniami – można
obliczyć wartość naprężenia dzia łającego na promieniu ρ.
τ ρ
= ; τ = ρ τ0
τ0 l
Naprężenie to dzia łając na elementarn ą pierścieniow ą powierzchni ę ΔF = 2 π ρ Δρ
powoduje powstanie elementarnej si ły ΔP = ΔFτ = ΔF ρ τ0 oraz elementarnego momentu
wewnętrznego ΔM = ΔP ρ.
Dla zachowania równowagi moment si ł zewnętrznych M o musi by ć mniejszy lub równy
momentowi si ł wewnętrznych M s:
Mo ≤ Ms = Σ ΔP ρ = Σ ΔF τ ρ = Σ ΔF τ0 ρ
2

Ms = τ0 Σ ρ
2
ΔF = τ0 I0
gdzie: I 0 = Σ ρ
2
ΔF jest biegunowym momentem bezw ładności przekroju.
τmax I0
Ms = τ0 I0 =
r
I0
Wielkość = W 0 nazywa si ę biegunowym wska źnikiem wytrzyma łości przekroju.
r
Dla okre ślenia wymiarów wału miarodajny jest najwi ększy moment obrotowy M o, który
można podobnie przedstawi ć jak moment zginaj ący wzdłuż osi wału.
Jednostkowy k ąt skręcenia wa łu przypadaj ący na 1 cm jego d ługości wyznacza si ę
z zależności:
Mo τmax 2 τmax
υ = = =
G I0 G r G d
a całkowity k ąt skręcenia wa łu φ = υ l.

Szczegó łowy opis oblicze ń wytrzyma łościowych wraz z przyk ładami znajdziesz
w literaturze pod pozycj ą 2.

39. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

38
4.4.2. Pytania sprawdzaj ące

Odpowiadaj ąc na pytania sprawdzisz, czy jeste ś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie właściwości posiadaj ą elementy konstrukcyjne?
2. Jak można scharakteryzowa ć jednoosiowy stan napr ężeń?
3. Jak brzmi prawo Hooke’a i jaki wzór je wyra ża?
4. Jakie są poszczególne etapy rozci ągania stali niskow ęglowej?
5. Jaki jest rozk ład sił przy odkszta łceniu równoleg łościanu pod wp ływem napr ężeń
stycznych?
6. Jakie znasz rodzaje obci ążeń?
7. Jaki wzór okre śla naprężenia rozci ągające dla pr ętów zwisaj ących?
8. Jak okre ślamy uk ład sił i momentów si ł dla różnych uk ładów belek na podporach?
9. Jak wykonujemy przyk ładowe obliczenia wytrzyma łościowe materia łów na rozci ąganie,
ściskanie, ścinanie, zginanie i skr ęcanie?

4.4.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1
Oblicz przekrój F, napr ężenie σα, odkszta łcenie wzgl ędne ε i wydłużenie Δl dla pręta ze
stali spr ężynowej E = 220 000 MPa, o średnicy d = 2 cm, d ługości l = 159 cm, obci ążonego
siłą

P = 23 562 daN.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat oblicze ń przy rozci ąganiu materia łów,
2) określić wzory dla wymaganych oblicze ń,
3) dokonać koniecznych przekszta łceń wzorów,
4) podstawi ć dane w odpowiednich jednostkach miary,
5) wykona ć obliczenia,
6) przedstawi ć graficznie napr ężenia,
7) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– ołówek/długopis,
– kalkulator,
– linijka,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 2
Podaj wzrost napr ężenia w stalowej śrubie mocuj ącej korpus obudowy wykonany
z duraluminium wywo łany przekr ęceniem nakr ętki o pó ł obrotu przy skok u śruby h = 3 mm,
jeżeli przekrój trzpienia śruby F 1 = 4 cm
2
, tulei duraluminiowej F 2 = 8 cm
2
, modu ły
sprężystości E1 = 210 000 MPa, E 2 = 72 000 MPa, l 1 = 800 mm oraz l 2 = 850 mm.

40. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

39
Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat oblicze ń przy ściskaniu i rozci ąganiu materia łów,
2) określić wzory dla wymaganych oblicze ń,
3) dokonać koniecznych przekszta łceń wzorów,
4) podstawi ć dane w odpowiednich jednostkach miary,
5) wykona ć obliczenia,
6) dokonać oceny poprawno ści wykona nego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– ołówek/długopis,
– kalkulator,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 3
Oblicz średnicę nita d łączącego dwa p łaskowniki o grubo ści g = 8 mm obci ążone siłą
rozciągającą P = 2 500 daN, je żeli dopuszczalne naprężenie na ścinanie k t = 90 MPa,
dopuszczalne napr ężenie na rozci ąganie k r = 120 MPa.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z zasadami oblicze ń przy ścinaniu,
2) narysowa ć schemat po łączenia p łaskowników nitem,
3) określić wzory dla wymaganych oblicze ń,
4) dokonać koniecznych przekszta łceń wzorów,
5) podstawi ć dane w odpowiednich jednostkach miary,
6) wykona ć obliczenia,
7) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– ołówek/długopis,
– kalkulator,
– linijka,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 4
Sporządź wykres momentu zginaj ącego dla belki obci ążonej siłami P1 = 300 daN, P 2 = 700
daN oraz P 3 = 1200 daN, rozmieszczonymi w równych odleg łościach od brzegów belki
i między sob ą wynosz ących 40 cm, przy za łożeniu, że belka podparta jest w skrajnych
punktach.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat zginania pr ęta prostego,
2) sporządzić schemat obci ążenia belki z uwzgl ędnieniem dzia łających sił i reakcji podpór,

41. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

40
3) obliczyć momenty wzgl ędem ustalonego punktu,
4) wykona ć wykres momentu zginaj ącego,
5) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– ołówek/długopis,
– linijka,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 5
Oblicz τmax i γ dla wa łu o średnicy d = 20 mm, d ługości l = 1 000 mm, skr ęcanego
momentem obrotowym M o = 942,5 daN cm, przyjmuj ąc G = 800 000 daN/cm
2
= 80 000 MPa.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na tema t skręcania materia łów,
2) określić wzory dla wymaganych oblicze ń,
3) dokonać koniecznych przekszta łceń wzorów,
4) podstawi ć dane w odpowiednich jednostkach miary,
5) wykona ć obliczenia,
6) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– ołówek/długopis,
– kalkulator,
– literatura z rozdzia łu 6.

4.4.4. Sprawdzian post ępów
Tak Nie
Czy potrafisz:

1) określić właściwości elementów konstrukcyjnych? ¨ ¨
2) scharakteryzowa ć jednoosiowy stan napr ężeń? ¨ ¨
3) sprecyzow ać prawo Hooke’a? ¨ ¨
4) scharakteryzowa ć poszczególne etapy rozci ągania stali niskow ęglowej? ¨ ¨
5) określić rozkład sił przy odkszta łceniu równoleg łościanu pod wp ływem
naprężeń stycznych? ¨ ¨
6) określić rodzaje obci ążeń? ¨ ¨
7) przedstawi ć wzór okr eślający naprężenia rozci ągające dla pr ętów
zwisających? ¨ ¨
8) określić układ sił i momentów si ł dla różnych uk ładów belek
na podporach? ¨ ¨
9) wykona ć przykładowe obliczenia wytrzyma łościowe materia łów
na rozciąganie, ściskanie, ścinanie, zgina nie i skr ęcanie? ¨ ¨

42. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

41
4.5. Obróbka metali

4.5.1. Materia ł nauczania

Obróbka cieplna
Obróbka cieplna polega na zabiegach zmierzaj ących do zmiany struktury metalu, a tym
samym jego w łasności zarówno mechanicznych (wytrzyma łość, ciągliwość, sprężystość,
twardość itp.), jak i fizycznych czy technologicznych (np. skrawalno ść) pod wp ływem ciep ła.
Prawidłowy przebieg obróbki cieplnej zale ży od temperatury nagrzania przedmiotu,
czasu nagrzewania, szybko ści ogrzewania i szybko ści chłodzenia. Do obróbki cieplnej zalicza
się zabiegi wywo łujące zmiany strukturalne materia łu w stanie sta łym, takie jak:
– wyżarzanie,
– ulepszanie cieplne,
– utwardzanie dyspersyjne.
Wyżarzanie mo że przebiega ć bez przemiany fazowej (ujednorodnianie,
rekrystalizowanie, odpr ężanie) lub z przemi aną fazow ą (zupełne, normalizowane,
izotermiczne, zmi ękczanie, perlityzowanie, przegrzewanie). Ulepszanie cieplne to:
hartowanie, odpuszczanie, wymra żanie i stabilizowanie. W ramach utwardzania
dyspersyjnego wykonuje si ę przesycanie i starzenie.
Nagrzewani e podczas zabiegów obróbki cieplnej nie powinno wywo ływać naprężeń
(odkszta łceń) oraz zmian powierzchniowych (utlenienie, odw ęglenie stali) przedmiotu.
Spełnienie pierwszego warunku wymaga równomiernego nagrzewania z szybko ścią
dostosowana do gatunku stali i kszta łtu przedmiotu. Stale zwyk łe nisko- i średniow ęglowe
można nagrzewa ć z dowoln ą szybko ścią, natomiast stale wysokow ęglowe i stopowe nale ży
nagrzewa ć wolno.
Jednym z g łównych procesów obróbki cieplnej metali jest hartowanie. Hartowanie
zwiększa tward ość, wytrzyma łość i granic ę plastyczno ści stali. Wyró żnia się hartowanie
zwykłe, stopniowe, izotermiczne i powierzchniowe.
Hartowanie zwyk łe polega na nagrzaniu materia łu w odpowiedniej temperaturze
i następnie szybkim bezpo średnim sch łodzeniu do temperat ury czynnika ch łodzącego.
Hartowanie stopniowe polega na nagrzaniu materia łu do takiej samej temperatury jak
przy hartowaniu zwyk łym, wygrzaniu w tej temperaturze, a nast ępnie stopniowym
chłodzeniu: najpierw w k ąpieli po średniej do temperatury tej k ąpieli, a następnie w powietrzu
do temperatury otoczenia. Hartowanie stopniowe zmniejsza napr ężenia wewn ętrzne
i odkszta łcenia.
Hartowanie izotermiczne polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatury jak przy
hartowaniu zwyk łym, wygrzaniu w tej temperaturze, a nas tępnie ch łodzeniu w k ąpieli
pośredniej, lecz o temperaturze wy ższej niż przy hartowaniu stopniowym, wytrzymaniu w tej
kąpieli, a nast ępnie studzeniu na powietrzu.
Hartowanie powierzchniowe polega na bardzo szybkim nagrzaniu powierzchniowej
warstwy materia łu do temperatury jak przy hartowaniu zwyk łym i nast ępnie szybkim
chłodzeniu. Dzi ęki temu zabiegowi na powierzchni przedmiotu tworzy si ę twarda i odporna
na ścieranie pow łoka grubo ści od kilku dziesi ętnych milimetra do kilku milimetrów.
Kolejnym z procesów obróbki cieplnej jest odpuszczanie. Polega on na ogrzaniu
uprzednio zahartowanej stali do odpowiedniej temperatury (poni żej 723
0
C) i nast ępnie jej
ochłodzeniu. Odpuszczanie usuwa napr ężenia hartownicze, a ponadto zmniejsza krucho ść
stali i jej twardo ść, zwiększa natomiast jej ci ągliwość. W zale żności od temperatury
odpuszczania rozró żnia się trzy jego rodzaje: niskie, średnie i wysokie.

43. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

42
Odpuszczanie niskie, prowadzone w temperaturze 150-250
0
C, ma na celu zmniejszenie
naprężeń hartowniczych przy zachowaniu t wardości stali.
Odpuszczanie średnie odbywa si ę w temperaturze 400 -500
0
C i ma na celu uzyskanie
dużej wytrzyma łości i sprężystości stali przy jednoczesnym zmniejszeniu jej krucho ści.
Odpuszczanie wysokie odbywa si ę w temperaturze 500 -600
0
C. Ma na celu uzyskanie
korzystnych w łasności wytrzyma łościowych przy niewiele tylko pogorszonych w łasnościach
plastycznych.
Ulepszanie cieplne jest to po łączenie zabiegów hartowania i wysokiego odpuszczania.
Powoduje ono silne zwi ększenie plastyczno ści stali.
Wyżarzanie j est to zabieg cieplny polegaj ący na nagrzaniu stali do odpowiedniej
temperatury, wygrzaniu jej w tej temperaturze przez d łuższy czas i nast ępnie powolnym
studzeniu do temperatury otoczenia. Temperatura, od której nagrzewa si ę stal przy
wyżarzaniu, zale ży od celu, który nale ży osiągnąć. Jest nim zwykle polepszenie obrabialno ści
skrawaniem przez nadanie stali mi ękkości (tzw. wy żarzanie zupe łne) lub przywrócenie stali
plastyczno ści (wyżarzanie rekrystalizuj ące), któr ą utraciła przez zgniot kryszta łów w czasie
obróbki przez kucie, walcowanie lub t łoczenie. Celem wy żarzania mo że być równie ż
zmniejszenie miejscowych niejednorodno ści sk ładu chemicznego (wy żarzanie
ujednorodniaj ące), albo uzyskanie struktury drobnoziarnistej w stalach przegrzanych
(wyżarzanie normal izujące) lub wreszcie usuni ęcie napr ężeń wewn ętrznych (wy żarzanie
odprężające).

Obróbka cieplno-chemiczna
Obróbka cieplno- chemiczna jest procesem technologicznym polegaj ącym na zmianie
składu i struktury warstwy powierzchniowej materia łu pod wp ływem ciep ła i środowiska
aktywnego chemicznie. Polega ona na wprowadzeniu drog ą przenikania (tzw. dyfuzji)
w podwy ższonej temperaturze do wierzchniej warstwy wyrobu dodatkowego sk ładnika. Ten
rodzaj obróbki cieplnej zwi ększa twardo ść powierzchniow ą stali i jest sto sowany w tych
przypadkach, gdy chodzi o zwi ększone wymagania co do odporno ści na zu życie trących się
powierzchni, odporno ści na dzia łanie czynników chemicznych (korozja), przy zachowaniu
ciągliwego i dostatecznie elastycznego rdzenia.
Do zabiegów obróbki cieplno- chemicznej nale żą: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie,
aluminiowanie, nachromowywanie, szerardyzacja, odw ęglanie, nakrzemowywanie,
nasiarczanianie, naborowywanie.
Nawęglanie polega na wprowadzeniu w ęgla w zewn ętrzną warstw ę przedmiotu
stalowego. Na węglanie stali post ępuje stopniowo, przy czym g łębokość warstwy naw ęglonej
wynosi 0,2- 2,5 mm. Naw ęglanie umo żliwia po pó źniejszym zahartowaniu przedmiotu
uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie warstwy, przy zachowaniu mi ękkiego rdzenia
przedmiotu. Rozró żnia się nawęglanie w środowiskach sta łych (w proszkach), gazowych
i ciekłych.
Azotowanie polega na tym, że powierzchniowa warstwa stali lub żeliwa zostaje nasycona
w podwy ższonej temperaturze (500 -850
0
C) azotem, dzi ęki czemu ulega silnemu utwardzeniu,
staje się odporna na ścieranie i korozj ę.
Cyjanowanie polega na nasyceniu powierzchni przedmiotów stalowych jednocze śnie
węglem i azotem przez wygrzewanie w odpowiednio wysokiej temperaturze (500 -950
0
C)
w ośrodku wydzielaj ącym węgiel i azot. Warstwa cyjanow ana ma po zahartowaniu wi ększą
twardość i odporno ść na ścieranie ni ż zahartowana warstwa naw ęglana.
Nachromowywanie dyfuzyjne polega na nasyceniu powierzchniowej warstwy stali
chromem. W warstwie powierzchniowej ze stali niskow ęglowej tworzy si ę stały roztwór
chromu w żelazie, a wysokow ęglowych dodatkowo w ęgliki chromu. Nachromowana warstwa
jest odporna na zu życie i korozj ę.

44. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

43
Nasiarczanianie stali zmniejsza wspó łczynnik tarcia, czas docierania i chroni przed
zatarciem. Proces mo że być połączony z równoczesny m nawęglaniem lub azotowaniem.
Naborowywanie (nasycanie warstwy wierzchniej borem) daje warstw ę o dużej twardo ści,
przewyższającej twardo ść zahartowanej stali 1,5 -2 razy. Proces odbywa si ę w temperaturze
930-960
0
C, elektrolitycznie.
Nakrzemowywanie polega na wprowadzeniu w warstw ę powierzchniow ą krzemu. Mo że
odbywa ć się w ośrodku gazowym lub sta łym i w zale żności od czasu i temperatury pozwala
na uzyskanie nakrzemowanej warstwy o grubo ści 0,2-0,6 mm.

Obróbka plastyczna metali
Obróbka plastyczna metali jest to proces otrzymywania wyrobów przez plastyczne
odkszta łcanie materia łu pod wp ływem dzia łania sił zewnętrznych, bez naruszenia spójno ści
materiału (bez p ęknięć). Miarą odkszta łceń plastycznych jest zgniot.
Plastyczno ść materia łu zależy od jego sk ładu chem icznego, struktury, temperatury
nagrzania, szybko ści i stopnia odkszta łcenia, kierunku i wielko ści sił zewnętrznych
działających na metal itp., przy czym metale czyste charakteryzuje wi ększa plastyczno ść niż
ich stopy. Ze wzrostem temperatury plastyczno ść metalu wzrasta i odporno ść na zgniot
i odkszta łcalność zmniejszaj ą się.
W wyniku plastycznego odkszta łcenia na zimno niektóre metale i stopy (np. stal, mied ź,
brąz) zmieniaj ą korzystnie w łasności mechaniczne (zwi ększa się twardo ść i wytrzyma łość).
Jednak ze wzrostem stopnia zgniotu pogarsza si ę plastyczno ść materia łu (obniża się
ciągliwość), a więc i jego przydatno ść do dalszej obróbki plastycznej.
Zarówno umocnienie materia łu jak i odkszta łcenia kryszta łów metalu s ą trwałe tylko do
pewnej temperatury i zo stają usunięte przez wy żarzanie. Zale żnie od temperatury wy żarzanie
prowadzi si ę w celu usuni ęcia napr ężeń własnych (odpr ężanie), przywrócenia w łasności
(nawrot) lub struktury przed zgniotem (rekrystalizacja) zgniecionego ziarna. Wy żarzanie
prowadzi si ę również w celu zwi ększenia odporno ści metalu na korozj ę.



Rys. 14. Schemat przebiegu zmian zachodz ących
podczas wy żarzania zgniecionego materia łu [5, s. 372]

45. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

44
Obróbk ę plastyczn ą prowadzi si ę w celu:
– nadania przedmiotowi wymaganych kszta łtów i wymiarów (w alcowanie, kucie, t łoczenie,
ciągnienie),
– polepszenia w łasności mechanicznych materia łu (dogniatanie),
– osiągnięcia powierzchni o po żądanych w łasnościach (kr ążkowanie, kuleczkowanie,
przepychanie),
– wywołania napr ężeń zwiększających jego wytrzyma łość.
W zależności od temperatury obrabianego materia łu rozró żnia się obróbk ę plastyczn ą na
zimno (temperatura metalu poni żej temperatury rekrystalizacji) i na gor ąco (powy żej
temperatury rekrystalizacji).
W zale żności od wzgl ędnego ruchu narz ędzia i przedmiotu rozró żnia się następujące
metody obróbki plastycznej:
– walcowanie: zgniatanie metalu przez obracaj ące się walce, które wywieraj ą nacisk na
materiał, powoduj ąc jego odkszta łcenie; na gor ąco walcuje si ę pręty, kszta łtowniki,
blachy, rury itp.; walcowaniu na zimno p oddaje si ę różne metale nie żelazne i ich stopy
(miedź, mosiądze, brązy, aluminium itp.), a tak że stale niskow ęglowe,
– przeciąganie (ci ągnienie): stopniowe zmniejszanie przekroju materia łu najcz ęściej na
zimno,
– kucie swobodne: proces stopniowego kszta łtowania metalu pod wp ływem uderze ń młota
lub nacisku prasy o ruchu post ępowo-zwrotnym; za pomoc ą swobodnego kucia wykonuje
się półwyroby jak np. wa ły, koła zębate itp. w warunkach produkcji ma łoseryjnej,
– kucie matrycowe: jest procesem kszta łtowania przedmiotu w matrycach, gdzie kszta łt
i wymiary matrycy odwzorowuj ą wymiary otrzymywanej odkuwki; kucie matrycowe
stosuje si ę w produkcji wielkoseryjnej,
– tłoczenie: wykonywane najcz ęściej na prasach na zimno lub na gor ąco za pomoc ą
tłoczników, ci ągowników itp.
Dodatko wo stosuje si ę równie ż wykańczającą obróbk ę elementów przez plastyczne
dogniatanie wyg ładzające powierzchniowej warstwy metalu. Do g łównych sposobów takiej
obróbki nale żą:
– rolkowanie: zgniatanie obrabianego elementu mi ędzy rolkami,
– krążkowanie (kulkowanie) : wygładzanie wewn ętrzne lub zewn ętrzne przez swobodnie
obracające się rolki (kulki),
– wygładzanie otworów poprzez przepychanie lub przeci ąganie nie obracaj ącej się rolki,
– kalibrowanie powierzchni prze przepychanie kulki,
– kulowanie: silne i szybkie uderzani e kuleczek metalowych ( śrutu) o powierzchni ę,
wyrzucanych z wyrzutnika pneumatycznego.
Powierzchniowa obróbka zgniotem zwi ększa wytrzyma łość na uderzenia (udarno ść)
o 50-100%, a odporno ść na zużycie nawet kilka razy.

4.5.2. Pytania sprawdzaj ące

Odpowiad ając na pytania sprawdzisz, czy jeste ś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Na czym polega obróbka cieplna metali?
2. Jakie znasz zabiegi obróbki cieplnej?
3. Jak można scharakteryzowa ć poszczególne zabiegi obróbki cieplnej?
4. Na czym polega obróbka cieplno-chemiczna metali?
5. Jakie zabiegi wchodz ą w skład obróbki cieplno -chemicznej?
6. Na czym polegaj ą poszczególne zabiegi obróbki cieplno -chemicznej?
7. Na czym polega obróbka plastyczna metali?
8. Jakie rozró żnia się metody obróbki plastycznej metali?

46. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

45
4.5.3. Ćwiczenia

Ćwiczenie 1
Opisz obróbk ę cieplną metali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat obróbki cieplnej metali,
2) określić zabiegi wchodz ące w sk ład obróbki cieplnej metali,
3) scharakteryzowa ć poszczególne zabiegi,
4) przedstawi ć powyższe w formie opisowej,
5) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru format A-4,
– ołówek/długopis,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 2
Scharakteryzuj obróbk ę cieplno -chemiczn ą metali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat obróbki cieplno -chemicznej metali,
2) określić zabiegi wchodz ące w sk ład obróbki cieplno -chemicznej metali,
3) scharakteryzowa ć poszczególne zabiegi,
4) przedsta wić powyższe w formie opisowej,
5) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru format A-4,
– ołówek/długopis,
– literatura z rozdzia łu 6.

Ćwiczenie 3
Opisz obróbk ę plastyczn ą metali.

Sposób wykonania ćwiczenia

Aby wykona ć ćwiczenie powiniene ś:
1) zapozna ć się z literatur ą na temat obróbki plastycznej metali,
2) określić metody obróbki plastycznej metali,
3) scharakteryzowa ć poszczególne metody,
4) wykona ć schemat przebiegu zmian zachodz ących podczas wy żarzania zgn iecionego
materiału,
5) przedstawi ć powyższe w formie opisowej,
6) dokonać oceny poprawno ści wykonanego ćwiczenia.

47. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

46
Wyposa żenie stanowiska pracy:
– notatnik,
– arkusz papieru format A-4,
– ołówek/długopis,
– linijka,
– literatura z rozdzia łu 6.

4.5.4. Sprawdzian post ępów

Czy potrafisz:
Tak Nie
1) zdefiniowa ć obróbk ę cieplna metali? ¨ ¨
2) określić zabiegi obróbki cieplnej? ¨ ¨
3) scharakteryzowa ć poszczególne zabiegi obróbki cieplnej? ¨ ¨
4) zdefiniowa ć obróbk ę cieplno -chemiczn ą metali? ¨ ¨
5) określić zabiegi wchodz ące w sk ład obróbki cieplno -chemicznej? ¨ ¨
6) scharakteryzowa ć poszczególne zabiegi obróbki cieplno -chemicznej? ¨ ¨
7) scharakteryzowa ć obróbk ę plastyczn ą metali? ¨ ¨
8) określić metody obróbki plastycznej metali? ¨ ¨

48. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

47
5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ

INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uwa żnie instrukcj ę.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kart ę odpowiedzi.
3. Zapoznaj si ę z zestawem pyta ń testowych.
4. Test zawiera 20 zada ń o różnym stopniu trudno ści. Są to zadania wielokrotnego wyboru.
Do każdego pytani a dołączone s ą cztery mo żliwości odpowiedzi, tylko jedna jest
prawidłowa.
5. Udzielaj odpowiedzi tylko na za łączonej karcie odpowiedzi, stawiaj ąc w odpowiedniej
rubryce znak X. W przypadku pomy łki należy błędną odpowied ź zaznaczy ć kółkiem,
a następnie ponowni e zakreślić odpowied ź prawid łową.
6. Test sk łada się z dwóch cz ęści o ró żnym stopniu trudno ści: I cz ęść – poziom
podstawowy, II cz ęść - poziom ponadpodstawowy.
7. Pracuj samodzielnie, bo tylko wtedy b ędziesz mia ł satysfakcj ę z wykonanego zadania.
8. Kiedy udzieleni e odpowiedzi b ędzie sprawia ło trudno ść, wtedy od łóż jego rozwi ązanie na
później i wró ć do niego, gdy zostanie czas wolny.
9. Na rozwi ązanie testu masz 45 minut.
Powodzenia !

49. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

48
ZESTAW ZADA Ń TESTOWYCH

1. Do własności fizycznych metali zalicza si ę m.in.:
a) odp orność na dzia łanie środowiska zewn ętrznego,
b) gęstość i temperatur ę topnienia,
c) wytrzyma łość materia łu,
d) przydatno ść do spawania.

2. Przydatno ść metalu do kucia to w łasność:
a) chemiczna,
b) mechaniczna,
c) fizyczna,
d) technologiczna.

3. Zdolność materia łu do zachowania odk ształceń po zdjęciu obci ążenia to:
a) plastyczno ść,
b) twardość,
c) sprężystość,
d) udarność.

4. Jaki pierwiastek jest podstawowym sk ładnikiem wp ływającym w zasadniczy sposób na
własności stopu żelazo-węgiel?
a) glin,
b) krzem,
c) węgiel,
d) wanad.

5. Jaką zawarto ść węgla posiada cem entyt?
a) 8,67%,
b) 6,67%,
c) 4,67%,
d) 2,67%.

6. Jaka jest maksymalna zawarto ść węgla w stalach?
a) do 2%,
b) 2,1-3,0%,
c) 3,1-4,0%,
d) 4,1-5,0%.

7. Według jakiego kryterium podzia łu klasyfikuje si ę stale na walcowane i ci ągnione?
a) składu chemicznego,
b) stopnia czysto ści,
c) rodzaju wyrobów,
d) postaci.

8. Minimalna zawarto ść węgla w stalach narz ędziowych wynosi:
a) 0,25%,
b) 0,45%,
c) 0,65%,
d) 0,85%.

50. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

49
9. W jaki sposób zwi ększenie st ężenia w ęgla w stali wp ływa na jej w łasności
technologiczne?
a) polepsza si ę podatno ść stali na obróbk ę,
b) zmniejsza si ę współczynnik liniowej rozszerzalno ści cieplnej,
c) zwiększa się współczynnik liniowej rozszerzalno ści cieplnej,
d) zwiększa się przewodno ść cieplna.

10. Żeliwa są to stopy żelaza z w ęglem o zawarto ści węgla:
a) 2,0-3,8%,
b) 3,9-4,2%,
c) 4,3-4,6%,
d) 4,7-5,0%.

11. Który z konstrukcyjnych meta li nieżelaznych jest najl żejszy?
a) chrom,
b) magnez,
c) aluminium,
d) cyna.

12. Mosiądze to stopy:
a) miedzi z cynkiem,
b) miedzi z cyn ą,
c) miedzi z manganem,
d) miedzi z magnezem.

13. Obróbk ę plastyczn ą stopów cynku z aluminium (tzw. znali) przeprowadza si ę
w temperaturze:
a) 50-100
0
C,
b) 110-150
0
C,
c) 160-190
0
C,
d) 200-300
0
C.

14. Hartowanie zalicza si ę do obróbki metali:
a) cieplnej,
b) cieplno-chemicznej,
c) mechanicznej,
d) plastycznej.

15. Jak zachowuje si ę ledeburyt poni żej temperatury 721
0
C?
a) zmienia swoj ą struktur ę poniewa ż austenit przemienia si ę w perlit,
b) zmienia swoj ą struktur ę poniewa ż perlit p łytkowy zamienia si ę w ziarnisty,
c) nie zmienia struktury ze wzgl ędu na du żą zawarto ść węgla,
d) zmienia struktur ę na charakteryzuj ącą się małą twardo ścią.

16. Czym ró żni się bainit od sorbitu i troostytu?
a) poniewa ż cement yt jest w nim bardziej skoncentrowany,
b) poniewa ż cementyt jest w nim bardziej rozdrobniony,
c) poniewa ż austenit ma budow ę płytkową,
d) poniewa ż jako odmiana perlitu uzyskuje si ę go w temperaturze powy żej 600
0
C.

51. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

50
17. Przy wzro ście masowego st ężenia węgla w stali nas tępuje:
a) wzrost twardo ści i spadek wyd łużenia,
b) wzrost twardo ści i spadek granicy plastyczno ści,
c) spadek twardo ści i spadek wytrzyma łości na rozci ąganie,
d) spadek twardo ści i wzrost wyd łużenia.

18. W jaki sposób wp ływa na w łasności żeliwa dodanie żelazokrzemu lub wapniokrzemu?
a) obniża jego plastyczno ść,
b) poprawia jego przewodno ść elektryczn ą,
c) zwiększa odporno ść na ścieranie,
d) poprawia podatno ść na zginanie.

19. Jakie główne cechy posiadaj ą spieki metalowo -ceramiczne?
a) wytrzyma łość na zginanie i ścinanie,
b) dobra ci ągliwość i plastyczno ść,
c) odporno ść na ścieranie i żarowytrzyma łość,
d) wysoka przewodno ść elektryczna.

20. Prawo Hooke’a mówi, że:
a) odkszta łcenie materia łu pod wp ływem si ły rozci ągającej jest odwrotnie
proporcjonalne do tej si ły,
b) odkszta łcenie materia łu pod wp ływem si ły rozciągającej jest wprost proporcjonalne do
tej siły,
c) odkszta łcenie materia łu pod wp ływem si ły ściskającej jest odwrotnie proporcjonalne
do tej si ły,
d) odkszta łcenie materia łu pod wp ływem si ły ściskającej nie wyst ępuje.

52. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

51
KARTA ODPOWIEDZI

Imię i nazwisko .... ........................................................................................................................

Rozpoznawanie metali i ich stopów

Zakreśl poprawn ą odpowied ź

Nr
zadania
Odpowied ź Punktacja
1. a b c d
2. a b c d
3. a b c d
4. a b c d
5. a b c d
6. a b c d
7. a b c d
8. a b c d
9. a b c d
10. a b c d
11. a b c d
12. a b c d
13. a b c d
14. a b c d
15. a b c d
16. a b c d
17. a b c d
18. a b c d
19. a b c d
20. a b c d
Razem:

53. „Projekt wspó łfinansowany ze środków E uropejskiego Funduszu Spo łecznego”

52
6. LITERATURA

1. Dobrzański L.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna. Wydawnictwa Szkolne
i Pedagogiczne, Warszawa 1986
2. Praca zbiorowa: Poradnik Warsztatowca Mechanika. Wydawnictwa Naukowo-
Techniczne, Warszawa 1981
3. Prowans S.: Metaloznawstwo. Pa ństwowe Wydawnictwo Naukowe, Wa rszawa 1988
4. Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. Wydawnictwa Naukowo -Techniczne, Warszawa
1994
5. Stawiszy ński F.: Poradnik mechanika samochodowego. Wydawnictwa Komunikacji
i Łączności, Warszawa 1977