Przewodnik inżyniera po metalach: Wybór i zastosowanie

Stal węglowa i stal stopowa

Stal węglowa

(1) Klasyfikacja stali węglowej

1) Stal węglową można podzielić na dwa główne typy w zależności od jej zastosowania: węglową stal konstrukcyjną i węglową stal narzędziową.

Węglowa stal konstrukcyjna jest wykorzystywana do produkcji różnych konstrukcji inżynieryjnych i części maszyn. Stal węglowa stosowana w konstrukcjach inżynieryjnych to zazwyczaj stal niskowęglowa, która ma doskonałą spawalność i zazwyczaj nie jest poddawana obróbce cieplnej, ponieważ jest stosowana w stanie walcowanym na gorąco.

Stal węglowa na części maszyn zwykle zawiera mniej niż 0,6% węgla wagowo i ma dobre właściwości mechaniczne, wymagające obróbki cieplnej przed użyciem.

Węglowa stal narzędziowa jest używana do produkcji różnych narzędzi skrawających, pomiarowych i form. Charakteryzuje się wyższą zawartością węgla, a po odpowiedniej obróbce cieplnej wykazuje wysoką wytrzymałość, twardość i odporność na zużycie.

2) Na podstawie zawartości węgla stal węglową można podzielić na trzy kategorie:

• Stal niskowęglowa: C<0.25%;
• Stal średniowęglowa: C=0,25% do 0,60%;
• Stal wysokowęglowa: C>0.60%.

3) W zależności od różnych procentowych zawartości siarki (S) i fosforu (P), stal węglową można podzielić na cztery gatunki:

• Stal zwykła: S≤0.050%, P≤0.045%;
• Stal wysokiej jakości: S≤0.035%, P≤0.035%;
• Wysokiej jakości stal: S≤0.020%, P≤0.030%;
• Stal najwyższej jakości: S≤0.015%, P≤0.025%.

4) Klasyfikacja według metody wytapiania.

W zależności od rodzaju pieca używanego do wytapiania, stal węglową można podzielić na stal z otwartym paleniskiem, stal konwertorową i stal z piecem elektrycznym. W oparciu o proces odtleniania podczas wytapiania, stal węglową można również podzielić na stal zabitą, stal częściowo zabitą, stal z obrzeżem i specjalną stal zabitą.

Gatunki, właściwości i zastosowania stali węglowej

1) Ogólna stal węglowa konstrukcyjna. Znana również jako węglowa stal konstrukcyjna, jej gatunek składa się z litery reprezentującej granicę plastyczności (Q), wartości liczbowej granicy plastyczności, symboli klasy jakości i symboli metody odtleniania, w tej kolejności, takich jak Q235AF. Przykłady gatunków, składów chemicznych, właściwości mechanicznych i zastosowań ogólnej stali konstrukcyjnej węglowej można znaleźć w tabeli 1-5.

2) Stal węglowa konstrukcyjna wysokiej jakości. Klasa jakości węglowej stali konstrukcyjnej jest oznaczona dwiema cyframi, które reprezentują średnią zawartość węgla w stali jako procent o dziesięć tysięcznych.

Na przykład stal 45 oznacza wysokiej jakości węglową stal konstrukcyjną o średniej zawartości węgla 0,45%. Przykłady gatunków, składów chemicznych, właściwości mechanicznych i zastosowań wysokiej jakości stali konstrukcyjnej węglowej można znaleźć w tabeli 1-6.

Tabela 1-5: Gatunki, skład chemiczny, właściwości mechaniczne i przykłady zastosowań stali konstrukcyjnej węglowej ogólnego przeznaczenia

Uwaga:

1. Symbole w tabeli: A, B, C, D oznaczają gatunki jakościowe; F oznacza stal wrzącą; Z oznacza stal zabitą; TZ oznacza specjalną stal zabitą.

2. δ₅ wskazuje, że długość pomiarowa próbki do rozciągania jest pięciokrotnością jej średnicy, tj. ₀ =5d₀ .

Tabela 1-6: Gatunki, skład chemiczny, właściwości mechaniczne i przykłady zastosowań wysokiej jakości stali konstrukcyjnej węglowej

3) Stale narzędziowe węglowe.

Gatunki stali narzędziowej węglowej są oznaczane literą T, po której następuje liczba. Litera T oznacza stal narzędziową węglową, podczas gdy liczba wskazuje średnią zawartość węgla w stali, wyrażoną w tysięcznych.

Na przykład, T10 oznacza węglową stal narzędziową o średniej zawartości węgla 1,0%. Wysokogatunkowe stale narzędziowe węglowe klasy premium są oznaczone literą "A" po numerze gatunku, na przykład T10A. Szczegółowe informacje na temat gatunków, składu chemicznego, właściwości mechanicznych i zastosowań stali narzędziowych węglowych można znaleźć w tabeli 1-7.

Tabela 1-7: Gatunki, skład chemiczny, właściwości mechaniczne i zastosowania węglowych stali narzędziowych

Stal stopowa

Stal stopowa, zaawansowana forma stali węglowej, jest ulepszana przez dodanie pewnych pierwiastków stopowych, poprawiając w ten sposób jej użyteczność i przetwarzalność.

Powszechnie dodawane pierwiastki stopowe obejmują mangan, krzem, chrom, nikiel, molibden, wolfram, wanad, tytan, bor i pierwiastki ziem rzadkich. Pierwiastki te mogą poprawić ogólne właściwości mechaniczne stali, hartowność, stabilność termiczną i odporność na korozję.

(1) Rola pierwiastków stopowych w stali

1) Wzmocnienie roztworu stałego: Większość pierwiastków stopowych może rozpuszczać się w ferrycie w różnym stopniu, zwiększając w ten sposób wytrzymałość i twardość stali przy jednoczesnym zmniejszeniu jej plastyczności i ciągliwości.

Niektóre pierwiastki stopowe, takie jak Mn, Cr i Ni, w odpowiednich proporcjach, mogą nie tylko wzmocnić ferryt, ale także zwiększyć wytrzymałość stali, zapewniając jej tym samym doskonałe ogólne właściwości mechaniczne.

2) Wzmocnienie fazy wtórnej: Gdy powinowactwo pierwiastka stopowego z węglem jest większe niż powinowactwo żelaza z węglem, może on nie tylko rozpuszczać się w ferrycie, ale także tworzyć węgliki stopowe i węgliki. Wszystkie te składniki mają wysoką wytrzymałość i stabilność, zwiększając w ten sposób wytrzymałość, twardość i odporność stali na zużycie.

3) Wzmocnienie rozdrobnienia ziaren: Pierwiastki takie jak V, Ti, Nb, Zr, które tworzą silne węgliki i Al, który tworzy silne azotki, mogą tworzyć stabilne cząstki węglików i azotków. Cząstki te hamują wzrost ziaren austenitu i udoskonalają ziarna ferrytu. Drobnoziarnista stal ma doskonałe właściwości mechaniczne, w szczególności znacznie zwiększając wytrzymałość stali.

4) Zwiększenie hartowności stali: Z wyjątkiem Co, wszystkie pierwiastki stopowe, które rozpuszczają się w austenicie, mogą zwiększać stabilność przechłodzonego austenitu, przesuwając krzywą transformacji izotermicznej w prawo i zmniejszając krytyczną prędkość chłodzenia stali.

W związku z tym można uzyskać większą głębokość utwardzonej warstwy przy chłodzeniu w tym samym medium hartowniczym lub, gdy pożądana jest taka sama głębokość utwardzonej warstwy, można użyć medium hartowniczego o niższej wydajności chłodzenia, aby zmniejszyć naprężenia hartownicze w obrabianym przedmiocie, minimalizując deformację i pękanie.

5) Poprawa odporności stali na odpuszczanie: Pierwiastki stopowe znacząco wpływają na proces odpuszczania stali.

Ogólnie rzecz biorąc, pierwiastki stopowe sprawiają, że martenzyt jest mniej podatny na rozkład podczas odpuszczania, utrudniają wzrost węglików i zwiększają temperaturę, w której zachodzą te przemiany. Spowalnia to redukcję twardość stali wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania, zwiększając tym samym jego odporność na odpuszczanie.

6) Nadawanie stali specjalnych właściwości: Gdy do stali dodawana jest pewna ilość określonych pierwiastków stopowych, struktura i właściwości stali ulegają unikalnym zmianom, w wyniku czego powstaje stal stopowa o specjalnych właściwościach, takich jak stal nierdzewna, stal żaroodporna i stal odporna na zużycie.

(2) Rodzaje stali stopowej

Stal stopową można podzielić na: konstrukcyjną stal stopową, narzędziową stal stopową i stal o specjalnych właściwościach, w zależności od jej zastosowania. W zależności od zawartości pierwiastków stopowych, stal stopową można podzielić na stal niskostopową (w_M<5%), stal średniostopowa (w_M=5%~10%) i stali wysokostopowej (w_M>10%).

(3) Oznaczenia, właściwości mechaniczne i zastosowania konstrukcyjnej stali stopowej

Strukturalna stal stopowa obejmuje stal do konstrukcji inżynieryjnych i produkcji maszyn. Oznaczenia konstrukcyjnej stali stopowej składają się zazwyczaj ze średniego ułamka masowego węgla (wyrażonego w dziesięciotysięcznych) + symbolu pierwiastka stopowego + ułamka masowego pierwiastka stopowego (wyrażonego w procentach), choć istnieją wyjątki.

Przykłady powszechnie stosowanych oznaczeń konstrukcyjnych stali stopowych, ich właściwości mechanicznych i zastosowań można znaleźć w tabeli 1-8.

Tabela 1-8: Przykłady oznaczeń, właściwości mechanicznych i zastosowań powszechnie stosowanej konstrukcyjnej stali stopowej

1) Niskostopowa stal konstrukcyjna o wysokiej wytrzymałości. Ten rodzaj stali wywodzi się ze stali niskowęglowej z dodatkiem niewielkiej ilości pierwiastków stopowych (wM <5%). Powszechnie stosowana w konstrukcjach inżynieryjnych, zachowuje stosunkowo niską wytrzymałość, ale posiada doskonałą plastyczność, wytrzymałość i spawalność. Niedroga i zwykle stosowana w stanie walcowanym na gorąco, w razie potrzeby poddawana jest obróbce normalizującej w celu zwiększenia jej wytrzymałości.

Niskostopowa stal konstrukcyjna o wysokiej wytrzymałości jest wykorzystywana głównie do produkcji mostów, statków, kotłów, zbiorników wysokociśnieniowych, rurociągów naftowych i dużych konstrukcji stalowych.

2) Stal stopowa nawęglana. Stal stopowa nawęglana odnosi się do stali stopowej stosowanej po obróbce nawęglania. Ten rodzaj stali ma niższy udział masowy węgla (0,15% ~ 0,25%), aby zapewnić, że rdzeń przedmiotu obrabianego ma wysoką wytrzymałość i wytrzymałość, podczas gdy powierzchnia po nawęglaniu i odpuszczaniu w niskiej temperaturze wykazuje wysoką twardość (58 ~ 64HRC) i odporność na ścieranie.

Stal stopowa nawęglana jest stosowana głównie w produkcji części wymagających wysokiej odporności na zużycie i przenoszenia obciążeń dynamicznych, takich jak koła zębate w przekładniach samochodowych i ciągnikowych, wałki rozrządu w silnikach spalinowych itp. Powszechnie stosowane stale stopowe nawęglane obejmują 15Cr, 20Cr, 20CrMnTi i inne.

3) Stal stopowa ulepszona cieplnie. Ten rodzaj stali ma zazwyczaj zawartość węgla 0,25%~0,45%. Po hartowaniu i odpuszczaniu wysokotemperaturowym (odpuszczaniu), rozwija się hartowana struktura sorbitu, zapewniając stali dobre połączenie wysokiej wytrzymałości i ciągliwości.

Stosowana jest głównie do produkcji części, które wytrzymują znaczne obciążenia zmienne i różne złożone naprężenia, takie jak korbowody, wały napędowe, wrzeciona obrabiarek, koła zębate, krzywki itp. w samochodach i ciągnikach. Powszechnie stosowane stale stopowe ulepszane cieplnie obejmują 40Cr, 35CrMo, 40CrNiMo i inne.

4) Stal stopowa sprężynowa. Stal stopowa sprężynowa odnosi się do rodzaju stali stopowej stosowanej w produkcji różnych sprężyn i elementów elastycznych. Ten rodzaj stali ma zazwyczaj ułamek masowy węgla 0,50%-0,65% i zawiera pierwiastki stopowe, takie jak Mn, Si, Cr i V.

Po hartowaniu i odpuszczaniu w średniej temperaturze, rozwija strukturę odpuszczonego troostytu, wykazując wysoką granicę sprężystości i granicę plastyczności. Powszechnie stosowane stale sprężynowe stopowe obejmują między innymi 65Mn i 50CrV.

(4) Gatunki, właściwości mechaniczne i zastosowania stopowej stali narzędziowej

Stal narzędziowa stopowa, która obejmuje stal narzędziową do cięcia, stal matrycową i stal narzędziową pomiarową, powstaje poprzez dodanie pierwiastków stopowych do stali narzędziowej węglowej. Gatunki stali narzędziowej stopowej składają się zazwyczaj ze średniego ułamka masowego węgla w stali (wyrażonego w promilach) + symbolu pierwiastka stopowego + zawartości pierwiastka stopowego.

Jeśli udział masowy węgla przekracza 1,0%, nie jest on wskazany w gatunku. Przykładowe gatunki, status obróbki cieplnej i zastosowania powszechnie używanych stali narzędziowych stopowych można znaleźć w tabeli 1-9.

1) Stopowa stal narzędziowa. Stal stopowa na narzędzia skrawające jest używana do produkcji różnych narzędzi skrawających, takich jak narzędzia tokarskie, frezy, wiertła, gwintowniki, matryce itp. Powszechnie stosowane stale stopowe na narzędzia skrawające obejmują niskostopową stal narzędziową i szybkotnącą stal narzędziową.

Niskostopowa stal narzędziowa do cięcia ma zazwyczaj udział masowy węgla (w_C) od 0,75% do 1,45%. Proces obróbki cieplnej obejmuje hartowanie i odpuszczanie w niskiej temperaturze. Maksymalna temperatura robocza tego typu stali nie przekracza 300°C.

Jest ona używana wyłącznie do produkcji narzędzi skrawających o niskiej prędkości lub narzędzi o wysokich wymaganiach w zakresie odporności na zużycie, takich jak strugi, gwintowniki, matryce, wiertła itp. Typowe gatunki niskostopowej stali narzędziowej do cięcia obejmują 9SiCr, CrWMn i inne.

Szybkotnąca stal narzędziowa jest rodzajem wysokowęglowej stali wysokostopowej o udziale masowym węgla (w_C) od 0,7% do 1,6% i zawiera dużą ilość W, Cr, Mo, V i innych pierwiastków stopowych. Obróbka cieplna szybkotnącej stali narzędziowej obejmuje hartowanie, a następnie wielokrotne odpuszczanie w wysokiej temperaturze, w wyniku czego powstaje odpuszczony martenzyt + struktura węglikowa.

Po normalnym odpuszczaniu, twardość wynosi zazwyczaj 63~66HRC, wykazując dobrą odporność na ciepło. Narzędzia wykonane z szybkotnącej stali narzędziowej nadal zachowują wysoką twardość około 60HRC w temperaturze cięcia 600°C, dzięki czemu nadają się do cięcia z dużą prędkością. Popularne gatunki obejmują W18Cr4V, W6Cr5Mo4V2 i inne.

Tabela 1-9: Przykłady popularnych gatunków stali narzędziowej stopowej, warunków obróbki cieplnej i zastosowań

2) Stal stopowa. Stal stopowa dzieli się na stal do pracy na gorąco i stal do pracy na zimno.

Stal matrycowa do pracy na gorąco jest używana do produkcji różnych matryc do kucia na gorąco, matryc do wytłaczania na gorąco i matryc odlewniczych itp., przy temperaturze powierzchni wnęki przekraczającej 600 ℃ podczas pracy; stal matrycowa do pracy na zimno jest używana do produkcji różnych matryc do wykrawania na zimno, matryc do walcowania na zimno, matryc do wytłaczania na zimno i matryc do ciągnienia drutu itp. przy temperaturze roboczej nieprzekraczającej 300 ℃.

Stal matrycowa do pracy na zimno ma udział masowy węgla w_c ≥1.0% i dodane pierwiastki stopowe mogą wzmocnić matrycę, utworzyć węgliki oraz poprawić twardość i odporność na zużycie stali. Po hartowaniu i odpuszczaniu w niskiej temperaturze, stal matrycowa do pracy na zimno uzyskuje strukturę odpuszczonego martenzytu i ziarnistego węglika. Powszechnie stosowane stale do pracy na zimno obejmują Cr12, Cr12MoV itp.

Udział masowy węgla w stali matrycowej do pracy na gorąco wynosi zazwyczaj 0,3% ~ 0,6%, a dodane pierwiastki stopowe mogą poprawić hartowność, odporność na ciepło i odporność na zmęczenie cieplne stali.

Po hartowaniu i odpuszczaniu w wysokiej temperaturze lub odpuszczaniu w średniej temperaturze, stal matrycowa do pracy na gorąco uzyskuje strukturę odpuszczonego sorbitu lub odpuszczonego troostytu. Powszechnie stosowane stale matrycowe do pracy na gorąco obejmują 5CrNiMo, 3Cr2W8V itp.

(5) Stale o specjalnych właściwościach

Stale o specjalnych właściwościach odnoszą się do stali o unikalnych właściwościach użytkowych. Istnieje wiele rodzajów stali o specjalnych właściwościach, ale w tej sekcji przedstawimy tylko te powszechnie stosowane w przemyśle mechanicznym: stal nierdzewną, stal żaroodporną i stal odporną na zużycie.

1) Stal nierdzewna.

Stal nierdzewna odnosi się do stali odpornej na działanie czynników atmosferycznych lub korozyjnych. Typowe rodzaje obejmują martenzytyczną stal nierdzewną 12Cr13, ferrytyczną stal nierdzewną 10Cr17 i austenityczną stal nierdzewną chromowo-niklową 18-8.

Martenzytyczna stal nierdzewna jest często stosowana w produktach wymagających wysokich właściwości mechanicznych i stosunkowo niskiej odporności na korozję; ferrytyczna stal nierdzewna jest szeroko stosowana w przemyśle kwasu azotowego, nawozów azotowych, kwasu fosforowego, a także jako materiał odporny na utlenianie w wysokich temperaturach; austenityczna stal nierdzewna jest najczęściej stosowanym rodzajem stali nierdzewnej w przemyśle, ale należy zapobiegać korozji międzykrystalicznej.

2) Stal żaroodporna.

Stal żaroodporna odnosi się do stali, która zachowuje wysoką stabilność chemiczną i wytrzymałość termiczną w wysokich temperaturach. Stabilność chemiczna odnosi się do odporności stali na różne korozje chemiczne w wysokich temperaturach, podczas gdy wytrzymałość termiczna odnosi się do wytrzymałości stali w wysokich temperaturach.

Powszechnie stosowane stale żaroodporne obejmują perlityczną stal żaroodporną, martenzytyczną stal żaroodporną i austenityczną stal żaroodporną.

Stal żaroodporna perlityczna działa w temperaturach 450-550°C i jest używana głównie do produkcji części o małych obciążeniach w urządzeniach energetycznych, takich jak stalowe rury kotłowe; stal żaroodporna martenzytyczna działa w temperaturach 550-600°C i jest używana głównie do produkcji łopatek turbin, zaworów wydechowych silników wysokoprężnych itp.; stal żaroodporna austenityczna działa w temperaturach 600-700°C i może osiągnąć nawet 850°C i jest używana głównie do produkcji turbin silników odrzutowych i rur wydechowych. Typowe stale żaroodporne obejmują 12Cr1MoV, 42Cr9Si2 i 4Cr13Ni8Mn8MoVNb.

3) Stal odporna na zużycie.

Stal odporna na zużycie odnosi się ogólnie do stali o wysokiej zawartości manganu, która ulega utwardzeniu udarowemu pod wpływem obciążeń udarowych. Jej głównymi składnikami są: w _c =1,0%-1,3%, w _Mn =11%-14%. Jest odlewany do kształtu, a po obróbce cieplnej uzyskuje całkowicie austenityczną strukturę, która wykazuje dobrą wytrzymałość i odporność na zużycie.

Powszechnie stosowane stale wysokomanganowe obejmują ZGMn13, ZGMn13Cr2 itp. Stal wysokomanganowa jest szeroko stosowana w produkcji części, które wytrzymują duże uderzenia lub naciski, takich jak łyżki koparek, gąsienice zbiorników itp. Co więcej, stal wysokomanganowa nie jest krucha w niskich temperaturach, dzięki czemu nadaje się do stosowania w mroźnych regionach.

Metale nieżelazne i stopy

Aluminium i stopy aluminium

Czyste aluminium ma srebrno-biały kolor, sześcienną strukturę krystaliczną i nie ulega transformacji alotropowej. Charakteryzuje się niską temperaturą topnienia (660 ℃), niską gęstością (2,7 g/cm³), niska wytrzymałość (σ_b=80MPa), wysoką plastyczność (ψ=80%) oraz doskonałą przewodność elektryczną i cieplną.

W związku z tym czyste aluminium nie nadaje się do konstrukcji nośnych. Stosowane jest głównie do produkcji przewodów, kabli, przyborów o niskich wymaganiach wytrzymałościowych i różnych stopów aluminium. Czyste aluminium jest aktywne chemicznie i ma tendencję do tworzenia mocnej i gęstej warstwy tlenku na swojej powierzchni, zapewniając mu dobrą odporność na korozję w powietrzu i słodkiej wodzie.

Stopy aluminium można podzielić na odkształcone stopy aluminium i odlewane stopy aluminium w oparciu o ich charakterystykę przetwarzania. Rysunek 1-41 przedstawia schemat klasyfikacji stopów aluminium. Stopy po lewej stronie punktu D, po podgrzaniu, istnieją jako jednofazowe roztwory stałe o dobrej plastyczności, odpowiednie do obróbki ciśnieniowej.

Są one określane jako zdeformowane stopy aluminium. Stopy na prawo od punktu D, które zawierają większy udział masowy pierwiastków stopowych i mają struktury eutektyczne, charakteryzują się niższymi temperaturami topnienia i dobrą płynnością, dzięki czemu nadają się do odlewania. Są one określane jako odlew aluminiowy stopy.

Odkształcone stopy aluminium są zazwyczaj przetwarzane na różne półprodukty, takie jak blachy, pręty, rury, druty, profile i odkuwki. Wśród odkształconych stopów aluminium, stopy serii Al-Mg i Al-Mn mają głównie strukturę jednofazową i nie mogą być wzmacniane przez obróbkę cieplną. Charakteryzują się one dobrą odpornością na korozję, spawalnością i plastycznością, a także doskonałą wydajnością w niskich temperaturach.

Właściwości te czynią je obiecującymi w dziedzinach takich jak lotnictwo i kosmonautyka. Stopy z serii Al-Cu-Mg i Al-Cu-Mn mają silne właściwości utwardzania starzeniowego i wysoką wytrzymałość, ale ich odporność na korozję i spawalność są gorsze. Są one stosowane głównie jako elementy konstrukcyjne. Stopy z serii Al-Mg-Cu-Zn mają najwyższą wytrzymałość w temperaturze pokojowej wśród stopów aluminium, ale szybko miękną w wysokich temperaturach i mają słabą odporność na korozję.

Są one stosowane głównie do ważnych konstrukcji i części poddawanych dużym obciążeniom. Stopy z serii Al-Mg-Si-Cu i Al-Cu-Mg-Fe-Ni charakteryzują się dobrą termoplastycznością, odlewalnością i stosunkowo wysokimi właściwościami mechanicznymi. Są one wykorzystywane głównie do produkcji złożonych części lotniczych i przyrządów, a także mogą być stosowane jako stopy żaroodporne.

Stopy aluminium serii Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Mg-Cu-Zn, Al-Mg-Si-Cu i Al-Cu-Mg-Fe-Ni mogą być wzmacniane przez obróbkę cieplną. Przykłady powszechnie stosowanych odkształconych stopów aluminium, ich skład chemiczny, właściwości mechaniczne i zastosowania podano w tabeli 1-10.

Tabela 1-10: Przykłady powszechnie stosowanych odkształconych stopów aluminium, w tym ich oznaczenia, skład chemiczny, właściwości mechaniczne i zastosowania

Uwaga: M - wyżarzanie; CZ - hartowanie + naturalne starzenie; CS - hartowanie + sztuczne starzenie.

Miedź i stopy miedzi

Czysta miedź ma gęstość 8,94 g/cm³ i temperaturę topnienia 1083 ℃. Ma sześcienną strukturę krystaliczną i nie wykazuje alotropii. Czysta miedź wykazuje dobrą przewodność elektryczną, przewodność cieplną i odporność na korozję. Podczas gdy czysta miedź ma dobrą plastyczność, jej wytrzymałość i twardość są niskie, co czyni ją nieodpowiednią do bezpośredniego zastosowania jako materiał konstrukcyjny.

Jest często wykorzystywana do produkcji materiałów przewodzących i przewodzących ciepło, urządzeń odpornych na korozję, a także może służyć jako surowiec do produkcji stopów miedzi. Czystej miedzi nie można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną. W zależności od różnych składów chemicznych, stopy miedzi można podzielić na trzy kategorie: mosiądz, brąz i biała miedź.

(1) Mosiądz

Stopy miedzi z cynkiem jako głównym pierwiastkiem stopowym nazywane są mosiądzem. W zależności od składu chemicznego, mosiądz można podzielić na mosiądz zwykły i mosiądz specjalny. Zwykły mosiądz jest binarnym stopem miedzi i cynku. Gdy udział masowy cynku wynosi od 30% do 32%, jego struktura jest sześciennym roztworem stałym α, znanym jako mosiądz jednofazowy.

Ten rodzaj mosiądzu charakteryzuje się doskonałą kowalnością, spawalnością i dobrą zdolnością do cynowania. Gdy ułamek masowy cynku przekracza 32% (ale nie więcej niż 45%), jego struktura jest strukturą dwufazową α +β, znaną jako mosiądz dwufazowy.

Mosiądz ten charakteryzuje się dobrą ciągliwością w wysokich temperaturach i nadaje się do obróbki na gorąco. Oznaczenie zwykłego mosiądzu składa się z "H+liczba", gdzie H oznacza mosiądz, a liczba wskazuje ułamek masowy miedzi. Na przykład H80 to zwykły mosiądz zawierający 80% miedzi i 20% cynku.

Specjalny mosiądz powstaje poprzez dodanie innych pierwiastków stopowych do stopu miedzi i cynku. Oprócz cynku, powszechne pierwiastki stopowe obejmują ołów, aluminium, mangan, cynę, żelazo, nikiel, krzem itp. Dodanie tych pierwiastków stopowych poprawia wytrzymałość, odporność na korozję i odporność na zużycie mosiądzu.

W zależności od dodanych pierwiastków stopowych, mosiądz specjalny można podzielić na mosiądz ołowiowy, mosiądz aluminiowy, mosiądz manganowy itp. Oznaczenie mosiądzu specjalnego składa się z "symbolu pierwiastka stopu pierwotnego H+ + ułamka masowego miedzi + ułamka masowego pierwiastka stopu pierwotnego".

Na przykład HPb59-1 reprezentuje specjalny mosiądz o udziale masowym 59% miedzi i 1% ołowiu, a pozostałą część stanowi cynk. Oznaczenia, skład chemiczny, właściwości mechaniczne i przykłady zastosowań powszechnie używanego mosiądzu przedstawiono w tabeli 1-11.

(2) Brąz

Brąz odnosi się do stopów miedzi z głównymi pierwiastkami stopowymi innymi niż Zn i Ni. Jego oznaczenie składa się z "Q + symbol pierwiastka stopu pierwotnego + ułamek masowy pierwiastka stopu pierwotnego". Jeśli jest to brąz odlewany, przed oznaczeniem dodaje się "Z". Brąz można podzielić na zwykły i specjalny.

Tabela 1-11: Reprezentatywne oznaczenia, skład chemiczny, właściwości mechaniczne i przykładowe zastosowania powszechnie używanych odkształconych stopów aluminium

Zwykły brąz odnosi się do brązu cynowego, z cyną (Sn) jako głównym pierwiastkiem stopowym. Udział masowy Sn ma kluczowe znaczenie dla wydajności brązu cynowego. Brąz cynowy o udziale masowym Sn od 5% do 7% ma najlepszą plastyczność, odpowiednią do obróbki na zimno i na gorąco. Brąz cynowy o udziale masowym Sn przekraczającym 10% ma wysoką wytrzymałość, ale słabą plastyczność, odpowiednią tylko do odlewania.

Brąz cynowy wykazuje doskonałą odporność na korozję w atmosferze, wodzie morskiej i nieorganicznych roztworach soli, ale wykazuje gorszą odporność na korozję w amoniaku, kwasie solnym i kwasie siarkowym.

Brąz specjalny odnosi się do brązu, który nie zawiera Sn. W zależności od podstawowego pierwiastka stopowego można go podzielić na brąz aluminiowy, brąz berylowy, brąz krzemowy itp. Brąz aluminiowy ma udział masowy aluminium od 5% do 10%, wysoką stabilność chemiczną, dobrą odporność na korozję i zużycie, wyższą wytrzymałość i plastyczność oraz dobrą obrabialność.

Stosowany jest głównie do produkcji części odpornych na zużycie o wysokiej wytrzymałości, pracujących w wodzie morskiej lub wysokich temperaturach. Brąz berylowy ma udział masowy berylu od 1,7% do 2,5%. Może być poddawany wzmacnianiu roztworowemu i utwardzaniu starzeniowemu, charakteryzując się wysoką wytrzymałością, odpornością na zużycie, odpornością na korozję oraz przewodnością elektryczną i cieplną.

Ma również specjalne właściwości, takie jak antymagnetyzm i brak generowania iskier po uderzeniu, stosowane głównie w elementach elastycznych w precyzyjnych instrumentach i częściach przeciwwybuchowych w silnikach. Brąz krzemowy ma ułamek masowy krzemu od 3% do 4,6%, z wyższymi właściwościami mechanicznymi niż brąz cynowy i dobrą wydajnością odlewania oraz obróbki na zimno / na gorąco.

Dodanie niklu do brązu krzemowego może znacznie poprawić jego wytrzymałość i odporność na zużycie, stosowane głównie w przemyśle lotniczym i długodystansowych napowietrznych liniach telefonicznych, liniach energetycznych itp. Numer marki, skład chemiczny, właściwości mechaniczne i przykładowe zastosowania powszechnie używanego brązu można znaleźć w tabeli 1-12.

(3) Srebro niklowe

Srebro niklowe, znane również jako biała miedź, odnosi się do kategorii stopów miedzi składających się głównie z niklu. Dzieli się na dwa rodzaje: zwykłe srebro niklowe i specjalne srebro niklowe.

Tabela 1-12: Przykłady popularnych gatunków brązu, skład chemiczny, właściwości mechaniczne i zastosowania

Zwykłe srebro niklowe, zawierające tylko miedź i nikiel, ma dobrą wytrzymałość i doskonałą plastyczność. Może być poddawane zarówno obróbce ciśnieniowej na zimno, jak i na gorąco. Jego odporność na korozję jest doskonała i ma wysoką rezystywność elektryczną przy niskim współczynniku temperaturowym rezystancji.

Jest ono wykorzystywane przede wszystkim do produkcji m.in. części instrumentów okrętowych, części maszyn chemicznych i sprzętu medycznego. Klasa srebra niklowego składa się z "B + średni ułamek masowy Ni". Na przykład B19 reprezentuje zwykłe srebro niklowe o zawartości niklu 19%.

Specjalne srebro niklowe jest wytwarzane przez dodanie innych pierwiastków stopowych do srebra niklowego. Właściwości i zastosowania srebra niklowego różnią się w zależności od rodzaju dodanego pierwiastka stopowego. Na przykład, manganowe srebro niklowe o wysokim udziale masowym manganu może być wykorzystywane do produkcji przewodów termoparowych, przyrządów pomiarowych itp. Na przykład, BZn15-20 reprezentuje specjalne srebro niklowe o zawartości krzemu 15% i zawartości cynku 20%.

Tytan i stopy tytanu

Czysty tytan ma gęstość 4,5 g/cm³ i temperaturę topnienia 1667°C, ulegając alotropii. Poniżej 882,5°C, czysty tytan ma ściśle upakowaną heksagonalną strukturę krystaliczną, znaną jako α-Ti. Powyżej 882,5 ° C ma strukturę krystaliczną sześcienną skoncentrowaną na ciele, określaną jako β-Ti.

Czysty tytan (α-Ti) ma stosunkowo niski moduł sprężystości, dobrą odporność na uderzenia, wysoką wytrzymałość właściwą i doskonałą plastyczność, ale jego właściwości mechaniczne są niezwykle wrażliwe na zanieczyszczenia.

Główne cechy stopów tytanu to wysoka wytrzymałość, niska gęstość, dobra odporność na ciepło i odporność na korozję. Mają one jednak słabą skrawalność, są wrażliwe na zużycie i są stosunkowo drogie. Stopy tytanu są podzielone na typ α (TA), typ β (TB) i typ α+β (TC) w oparciu o ich wyżarzone struktury.

Przykłady gatunków, składów chemicznych, właściwości mechanicznych i zastosowań powszechnie stosowanych stopów tytanu przedstawiono w tabeli 1-13.

(1) Stopy tytanu typu α

Wyżarzona struktura stopów tytanu typu α jest jednofazowym roztworem stałym α i nie można ich wzmocnić przez obróbkę cieplną. Stopy te mają stabilną strukturę, doskonałą odporność na korozję, dobrą plastyczność i odkształcalność. Wykazują również doskonałą wydajność spawania i właściwości niskotemperaturowe.

Są one powszechnie stosowane do produkcji poszycia samolotów, ram, tarcz i łopatek sprężarek silnikowych, obudów turbin i pojemników o bardzo niskiej temperaturze.

Tabela 1-13: Przykłady powszechnie stosowanych stopów tytanu, ich skład chemiczny, właściwości mechaniczne i zastosowania

^{①持久强度表示材料在给定温度下经过100h后，试样发生断裂时的应力值。}

(2) Stopy tytanu Beta

Stopy tytanu beta mają wyżarzoną strukturę fazy beta. Poprzez hartowanie można uzyskać metastabilne stopy tytanu w fazie beta. Stopy te mogą być poddawane obróbce cieplnej w celu zwiększenia ich wytrzymałości, mają wysoką wytrzymałość w temperaturze pokojowej i dobre właściwości formowania na zimno. Jednak stopy te mają wysoką gęstość, ich struktura nie jest wystarczająco stabilna i mają słabą odporność na ciepło. Stopy tytanu beta są wykorzystywane głównie do produkcji elementów samolotów, które nie wymagają wysokich temperatur, ale wymagają wysokiej wytrzymałości, takich jak sprężyny, elementy złączne i elementy o grubych przekrojach.

(3) Stopy tytanu alfa + beta

Wyżarzona struktura stopów tytanu alfa + beta jest fazą (alfa + beta), łączącą cechy stopów tytanu alfa i beta. Mają one doskonałe kompleksowe właściwości mechaniczne i są najczęściej stosowanymi stopami tytanu. Na przykład TC4 (Ti-6Al-4V) jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym i innych sektorach przemysłowych.