Τεχνολογία Υλικών Οχημάτων Τμήμα Οχημάτων Παναγιώτης Ματζινός, Επιστημονικός Συνεργάτης Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD
Εισαγωγή Ιστορική Αναδρομή Η ιστορία του ανθρώπινου πολιτισμού είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με τα υλικά που χρησιμοποιεί και μπορεί να κατεργάζεται ο άνθρωπος. Δεν είναι τυχαίο ότι οι πρώτοι πολιτισμοί προσδιορίζονται από τα υλικά που χρησιμοποίησαν οι άνθρωποι για να καλύψουν τις ανάγκες τους. Για παράδειγμα, οι διάφορες εποχές της ανθρωπότητας αποκαλούνται ως η Εποχή του Λίθου, η Εποχή του Xαλκού, η Εποχή του Σιδήρου. Ίσως, η σημερινή εποχή που χαρακτηρίζεται από την αλματώδη ανάπτυξη των ηλεκτρονικών υπολογιστών και των εφαρμογών τους, την ανάπτυξη των οπτικών ινών, χαρακτηριστεί ως η Εποχή του Πυριτίου.
Επιστήμη και Τεχνολογία των Υλικών Γιατί τα υλικά συμπεριφέρονται με διαφορετικό τρόπο? Γιατί έχουν διαφορετικές ιδιότητες? Η σχέση δομή-ιδιότητες των υλικών είναι κυρίαρχη στην Επιστήμη των Υλικών. Η δομή των υλικών εξαρτάται και από την επεξεργασία τους. Η απόδοση τους εξαρτάται από τις ιδιότητές τους. Σε όλο το κείμενο δίνεται προσοχή στη σχέση: Επεξεργασία Δομή Ιδιότητες Απόδοση Εισαγωγή
Δομή των Υλικών Εισαγωγή H δομή ενός υλικού συνδέεται με το μέσο παρατήρησής του. Ατομική δομή. Οργάνωση των στοιχειωδών σωματιδίων (πρωτονίων, νετρονίων, ηλεκτρονίων) του ατόμου. Κρυσταλλική δομή. Οργάνωση των ατόμων ή μορίων ενός υλικού. Μικροσκοπική δομή ή μικροδομή. Η δομή που παρατηρείται με διάφορα μικροσκόπια. Μακροσκοπική δομή. Η δομή που αποκαλύπτεται δια γυμνού οφθαλμού.
Εισαγωγή Ιδιότητες των υλικών Μηχανικές Για παράδειγμα, η αντοχή και το μέτρο ελαστικότητας των υλικών. Φυσικές Οι θερμικές, οι ηλεκτρικές, οι μαγνητικές και οι οπτικές ιδιότητες των υλικών. Χημικές Η διάβρωση των μετάλλων, των κεραμικών και η υποβάθμιση των πλαστικών οφείλονται στη χημική δραστικότητα των δομικών στοιχείων τους.
Εφαρμογή της σχέσης επεξεργασία δομή ιδιότητες απόδοση σε έναν τεντωτήρα οχημάτων: Σφυρηλασία. Σχηματισμός ινώδους δομής παράλληλα με τον κύριο άξονα του τεντωτήρα. Η αντοχή σε κρούση είναι μεγαλύτερη σε διεύθυνση παράλληλη με την ινώδη δομή. Ο τεντωτήρας μπορεί να δεχθεί κρουστικές καταπονήσεις στην διεύθυνση του κύριου άξονά του. Εισαγωγή Τεντωτήρας, ανθρακούχος χάλυβας, μορφοποίηση με σφυρηλασία (forging).
Εισαγωγή Μέταλλα Κεραμικά Πολυμερή Σύνθετα υλικά Ημιαγωγοί* Βιοϋλικά* * (εξειδικευμένα υλικά) Κατάταξη των Υλικών
Μέταλλα Ανόργανες ουσίες που αποτελούνται από ένα ή περισσότερα μεταλλικά στοιχεία, όπως Fe, Cu, Al, Ni, Zn κ.λ.π. Καλοί αγωγοί του ηλεκτρισμού και της θερμότητας. Αδιαφανή στο ορατό φως. Υψηλή μηχανική αντοχή και πλαστικότητα. Εισαγωγή
Εισαγωγή Κεραμικά Ενώσεις μεταξύ μετάλλων και αμετάλλων. Μονωτές του ηλεκτρισμού και της θερμότητας. Καλή αντιδιαβρωτική συμπεριφορά. Χρησιμοποιούνται σε υψηλές θερμοκρασίες. Υψηλή σκληρότητα και ευθραυστότητα (ψαθυρότητα).
Εισαγωγή Πολυμερή Ως πολυμερή θεωρούνται τα πλαστικά και τα ελαστικά υλικά. Ενώσεις του άνθρακα με το υδρογόνο, το οξυγόνο, το άζωτο και άλλα μη μεταλλικά στοιχεία. Χαμηλή πυκνότητα Καλές μηχανικές ιδιότητες Χαμηλό κόστος Αντικαθιστούν τα μεταλλικά υλικά και το γυαλί σε πολλές εφαρμογές.
Εισαγωγή Σύνθετα υλικά Τα σύνθετα υλικά προκύπτουν από το συνδυασμό δυο ή περισσότερων υλικών. Γνωστό σύνθετο υλικό: Φάιμπεργκλας=ίνες υάλου + πολυμερική μήτρα. Συνδυάζει υψηλή αντοχή από τις υαλοΐνες και ευκαμψία από το πολυμερές.
Εισαγωγή Ημιαγωγοί Τα στερεά υλικά με βάση την ευκολία που άγουν το ηλεκτρικό ρεύμα διακρίνονται σε αγωγούς, ημιαγωγούς και μονωτές. Οι ημιαγωγοί (πυρίτιο, γερμάνιο) επιτρέπουν τη δίοδο του ηλεκτρικού ρεύματος, κάτω από ορισμένες συνθήκες. Τα τανζίστορ, οι δίοδοι,τα ολοκληρωμένα κυκλώματα (microchips) είναι διατάξεις ημιαγωγών.
Εισαγωγή Βιοϋλικά Τα βιοϋλικά χρησιμοποιούνται στον ανθρώπινο οργανισμό για την αντικατάσταση κατεστραμμένων μερών Μια κοινή εφαρμογή τους είναι τα τεχνητά εμφυτεύματα ισχίου από το βιοσυμβατό κράμα τιτανίου Ti-6Al-4V.
Επιλογή υλικών Εισαγωγή Επιλογή του υλικού κατασκευής μιας τροχαλίας. Χυτοσίδηρος Φαιός χυτοσίδηρος (αντοχή:100-350 MPa,επιμήκυνση:1%). Μαλακτικοποιημένος χυτοσίδηρος (340-690 MPa, 10-2%). Ελατός χυτοσίδηρος (400-800 MPa, 22-2%). Χυτοχάλυβας Αντοχή και συνεκτικότητα του χάλυβα (370-690 MPa, 25-12%). Δυσκολία στη χύτευση. Αλουμίνιο Ελαφρύτερο από χυτοσιδήρους και χυτοχάλυβες. Υψηλή αντοχή στη διάβρωση. Υψηλό κόστος.
Εισαγωγή Ανάπτυξη νέων υλικών Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου Εφαρμογή στα υβριδικά και ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Σύνθετα υλικά Η χρήση τους έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση του βάρους των μεταφορικών μέσων, π.χ. το Airbus A380. Ηλεκτρομαγνήτες Προσθήκη σπάνιων γαιών οδηγεί σε μείωση του βάρους των ηλεκτρομαγνητών σε ηλεκτροκινητήρες αυτοκινήτων, τουρμπίνες ανεμογεννητριών, κ.λπ. LED (Light emission diodes), LCD (Liquid crystal display), CD (οπτικοί δίσκοι), οπτικές ίνες, κλπ.
Εισαγωγή Υλικά Οχημάτων Ένα όχημα αποτελείται από ένα πλήθος εξαρτημάτων. Κάθε εξάρτημα είναι κατασκευασμένο από κατάλληλα υλικά. Όλα τα υλικά, μεταλλικά, κεραμικά, πλαστικά και σύνθετα χρησιμοποιούνται στην κατασκευή των οχημάτων.
Εισαγωγή Χάλυβες Έχουν υψηλές μηχανικές ιδιότητες και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή εξαρτημάτων που παραλαμβάνουν και μεταφέρουν μεγάλες δυνάμεις. Εκκεντροφόρος άξονας κινητήρα εσωτερικής καύσης από χάλυβα.
Εισαγωγή Τήκονται εύκολα, είναι δεκτικοί σε χύτευση. Αποσβένουν ταλαντώσεις. Χύτευση εξαρτημάτων με πολύπλοκη γεωμετρία. Χυτοσίδηροι Φτερωτή αντλίας νερού οχήματος από χυτοσίδηρο.
Εισαγωγή Ο χαλκός παρουσιάζει εξαιρετική ηλεκτρική αγωγιμότητα. Κράματα του χαλκού χρησιμοποιούνται ως αντιτριβικά. Χαλκός Περιέλιξη ηλεκτροκινητήρα από χαλκό.
Εισαγωγή Αλουμίνιο Το αλουμίνιο, το μαγνήσιο και το τιτάνιο (ελαφρά μέταλλα) χρησιμοποιούνται στην κατασκευαστική βιομηχανία, λόγω της υψηλής τους αντοχής και της μικρής πυκνότητάς τους. Κέλυφος (χελώνα) κινητήρα εσωτερικής καύσης από αλουμίνιο.
Εισαγωγή Ελαφρύ μέταλλο που βρίσκει εφαρμογή στη κατασκευαστική βιομηχανία. Μαγνήσιο Κάλυμμα κυλινδροκεφαλής πετρελαιοκινητήρα από μαγνήσιο.
Εισαγωγή Κεραμικά Λόγω των υψηλών σημείων τήξης των, χρησιμοποιούνται σε κατασκευές που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες. Μονωτές του ηλεκτρισμού. Μόνωση σε μπουζί αυτοκινήτου από κεραμικό (αλουμίνα: Al 2 O 3 ).
Εισαγωγή Είναι ελαφρά, μονωτικά στον ηλεκτρισμό, υπάρχουν είδη εύκαμπτα έως σκληρά και ανθεκτικά. Πολυμερή Φτερωτή ανεμιστήρα ψύξης αυτοκινήτου από πλαστικό.
Εισαγωγή Τμήματα αμαξωμάτων, αεροπλάνων και λέμβων κατασκευάζονται από σύνθετα υλικά. Σύνθετα υλικά Φερμουίτ πέδης από σύνθετο υλικό.
Δομή του ατόμου & χημικοί δεσμοί Δομή του ατόμου Μπορεί να περιγραφεί ικανοποιητικά από την ύπαρξη τριών ειδών μικρότερων σωματιδίων, των πρωτονίων, των ηλεκτρονίων και των νετρονίων. Κάθε άτομο έχει ένα πολύ μικρό πυρήνα αποτελούμενο από πρωτόνια και νετρόνια, ο οποίος περιβάλλεται από ηλεκτρόνια. Ατομικός αριθμός = αριθμός πρωτονίων. Ισότοπα: ίδιος αριθμός πρωτονίων αλλά διαφορετικός αριθμός νετρονίων.
Πρότυπο του Bohr Δομή του ατόμου & χημικοί δεσμοί Τα ηλεκτρόνια των ατόμων κινούνται πάνω σε διακριτές ενεργειακές τροχιές. η ενέργειά τους είναι κβαντισμένη. Σχηματική παράσταση του ατομικού προτύπου του Bohr.
Δομή του ατόμου & χημικοί δεσμοί Κβαντικοί αριθμοί Ο κύριος κβαντικός αριθμός, n (1,2,3,4, ) προσδιορίζει τις στιβάδες στις οποίες κατανέμονται τα ηλεκτρόνια. Οι στιβάδες συμβολίζονται με τα γράμματα K, L, M, N,... Ο δευτερεύων κβαντικός αριθμός, l (0, 1,.( n -1)) προσδιορίζει τον αριθμό και το σχήμα των υποστιβάδων, s (l = 0), p (l = 1), d (l = 2) και f (l = 3). Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός, m l. (-l, -(l-1) 0, + ( l+1), +l, δηλαδή 2l+1 τιμές). Ο μαγνητικός κβαντικός αριθμός του spin, m s.
Δομή του ατόμου & χημικοί δεσμοί Χημικοί δεσμοί Ιοντικός ή ετεροπολικός δεσμός. Ομοιοπολικός δεσμός. Μεταλλικός δεσμός Δευτερεύοντες δεσμοί ή δεσμοί Van der Waals.
Δομή του ατόμου & χημικοί δεσμοί Ιοντικός ή ετεροπολικός δεσμός Οι ιοντικοί δεσμοί σχηματίζονται ανάμεσα στα μέταλλα και στα αμέταλλα. Σχηματική παράσταση του ιοντικού δεσμού
Ομοιοπολικός δεσμός Δομή του ατόμου & χημικοί δεσμοί Ομοιοπολικός δεσμός σχηματίζεται μεταξύ των ατόμων ως αποτέλεσμα της αμοιβαίας συνεισφοράς ηλεκτρονίων της εξωτερικής τους στιβάδας. Σχηματική παράσταση του ομοιοπολικού δεσμού στο μόριο του μεθανίου (CH4).
Μεταλλικός δεσμός Δομή του ατόμου & χημικοί δεσμοί Ο μεταλλικός δεσμός συναντάται στα μέταλλα. Τα ηλεκτρόνια σθένους των μετάλλων δεν συγκρατούνται σταθερά από τα άτομα, αλλά σχηματίζουν ένα νέφος ελεύθερων ηλεκτρονίων. Σχηματική παράσταση του μεταλλικού δεσμού.
Δομή του ατόμου & χημικοί δεσμοί Δευτερεύοντες δεσμοί ή δεσμοί Van der Waals Οι δευτερεύοντες δεσμοί είναι ασθενείς δεσμοί και οφείλονται στην έλξη ηλεκτρικών διπόλων που σχηματίζονται σε άτομα ή μόρια. Σχηματική παράσταση του δεσμού υδρογόνου.
Τεχνολογία Υλικών Οχημάτων Τμήμα Οχημάτων Παναγιώτης Ματζινός, Επιστημονικός Συνεργάτης Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD
Κρυσταλλική δομή των στερεών Κρυσταλλική δομή των μετάλλων Τα περισσότερα μέταλλα κρυσταλλώνονται σε τρία κρυσταλλικά συστήματα. Το χωροκεντρωμένο κυβικό (BCC-Body Centered Cubic)). Το εδροκεντρωμένο κυβικό (FCC-Face Centered Cubic). Το μέγιστης πυκνότητας εξαγωνικό (HCPHexagonal Close-Packed).
Κρυσταλλική δομή των στερεών Χωροκεντρωμένο κυβικό σύστημα Τα άτομα τοποθετούνται στις κορυφές της μοναδιαίας κυβικής κυψελίδας, καθώς και ένα άτομο στο κέντρο του κύβου. Χωροκεντρωμένη κρυσταλλική δομή BCC.
Κρυσταλλική δομή των στερεών Eδροκεντρωμένο κυβικό σύστημα Τα άτομα τοποθετούνται στις κορυφές της μοναδιαίας κυβικής κυψελίδας, καθώς και στο κέντρο της κάθε έδρας του κύβου. Εδροκεντρωμένη κρυσταλλική δομή FCC.
Κρυσταλλική δομή των στερεών Εξαγωνικό σύστημα Τα άτομα τοποθετούνται στις κορυφές και στα κέντρα των εξαγώνων των δυο βάσεων, καθώς και τρία άτομα σε επίπεδο, το οποίο βρίσκεται σε ίση απόσταση μεταξύ των δυο βάσεων. Εξαγωνική κρυσταλλική δομή HCP.
Κρυσταλλική δομή των στερεών Αλλοτροπία Αλλοτροπία ονομάζεται το φαινόμενο κατά το οποίο μερικά στερεά παρουσιάζουν περισσότερες από μια κρυσταλλικές δομές. Ο καθαρός σίδηρος: Σε θερμοκρασίες κάτω των 912 C κρυσταλλώνεται στο BCC. Σε θερμοκρασίες άνω των 912 C κρυσταλλώνεται στο FCC.
Κρυσταλλική δομή των στερεών Κρυσταλλικό πλέγμα Αναπαράσταση κρυσταλλικού πλέγματος σε σύστημα συντεταγμένων x, y και z.
Κρυσταλλική δομή των στερεών Κρυσταλλικά πλέγματα του Bravais
Κρυσταλλική δομή των στερεών Κρυστάλλωση των μετάλλων Σχηματική παράσταση της στερεοποίησης ενός μετάλλου
Κρυσταλλική δομή των στερεών Μικροσκοπική δομή μετάλλου Μικροσκοπική δομή μεταλλικού υλικού.
Κρυσταλλική δομή των στερεών Μονοκρύσταλλοι Μονοκρύσταλλος ονομάζεται ένα κρυσταλλικό υλικό, στο οποίο το κρυσταλλικό πλέγμα εκτείνεται χωρίς διακοπή σε ολόκληρο το δείγμα. Οι μονοκρύσταλλοι δεν περιέχουν όρια κόκκων. Μονοκρύσταλλοι πυριτίου βρίσκουν εφαρμογή στην κατασκευή ημιαγωγών, μονοκρύσταλλοι σαπφείρου στην κατασκευή οπτικών για laser, μονοκρύσταλλοι χαλκού χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρικοί αγωγοί υψηλής απόδοσης, μονοκρύσταλλοι κατάλληλων κραμάτων για την κατασκευή υλικών υψηλής αντοχής, όπως πτερύγια τουρμπινών.
Κρυσταλλική δομή των στερεών Ανισοτροπία Ανισοτροπικά υλικά είναι τα υλικά τα οποία παρουσιάζουν διαφορετικές ιδιότητες σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Το ισοτροπικά εμφανίζουν ομοιογένεια σε όλες τις κατευθύνσεις. Πολλά πολυκρυσταλλικά υλικά, παρόλο που αποτελούνται από ανισοτροπικούς κόκκους, συμπεριφέρονται ως ισοτροπικά.
Κρυσταλλική δομή των στερεών Άμορφα υλικά Δισδιάτατες απεικονίσεις της δομής α) του κρυσταλλικού και β) μη κρυσταλλικού διοξειδίου του πυριτίου (SiO2).
Ατέλειες της κρυσταλλική δομής Ατέλειες της κρυσταλλικής δομής Είδη ατελειών: Ατέλειες μηδενικής διάστασης ή σημειακές ατέλειες. Ατέλειες μίας διάστασης ή γραμμικές ατέλειες (διαταραχές). Ατέλειες δύο διαστάσεων ή επίπεδες ατέλειες. Ατέλειες τριών διαστάσεων.
Ατέλειες της κρυσταλλική δομής Σημειακές ατέλειες α) Πλεγματικό κενό β) Αυτοπαρεμβολή (μητρικό άτομο) γ) Άτομο αντικατάστασης (ξένο άτομο) δ) Άτομο παρεμβολής (ξένο άτομο).
Ατέλειες της κρυσταλλική δομής Γραμμικές ατέλειες ή διαταραχές Διαταραχή ακμής Διαταραχή κοχλία Μικτή διαταραχή
Ατέλειες της κρυσταλλική δομής Κίνηση των διαταραχών Αναπαράσταση της κίνησης μιας διαταραχής ακμής διαμέσου κρυσταλλικού πλέγματος. Η πλαστική παραμόρφωση των μετάλλων οφείλεται στην κίνηση των διαταραχών κάτω από την επίδραση εφαρμοζόμενων τάσεων.
Ατέλειες της κρυσταλλική δομής Επίπεδες ατέλειες Επίπεδες ατέλειες: Όρια κόκκων Διδυμίες Σφάλματα επιστοίβασης Μικρογραφία ανθρακούχου χάλυβα (όρια κόκκων) Μικρογραφία κράματος Cu-Zn (διδυμίες, ζώνες)
Ατέλειες της κρυσταλλική δομής Ατέλειες όγκου Πόροι ή ρωγμές Εγκλείσματα Κατακρημνίσματα
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Μηχανισμοί ισχυροποίησης των μετάλλων Σκλήρυνση με ενδοτράχυνση. Ισχυροποίηση με δημιουργία στερεού διαλύματος. Σκλήρυνση με κατακρήμνιση λόγω γήρανσης. Σκλήρυνση με ελάττωση του μεγέθους κόκκων. Μαρτενσιτικός μετασχηματισμός (θα εξεταστεί αργότερα).
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Σκλήρυνση με ενδοτράχυνση Καλείται το φαινόμενο κατά το οποίο τα όλκιμα μέταλλα γίνονται σκληρότερα και ισχυρότερα με την εν ψυχρώ κατεργασία τους. Οφείλεται στο γεγονός της αύξησης της πυκνότητας των διαταραχών με την πλαστική παραμόρφωση, εξαιτίας του πολλαπλασιασμού τους. Παρεμπόδιση της κίνησης των διαταραχών. Χρησιμοποιείται για να αυξήσει τις μηχανικές ιδιότητες των μετάλλων κατά τη διαδικασία παραγωγής τους π.χ. με διέλαση.
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Βαθμός πλαστικής παραμόρφωσης Η επί τοις % ψυχρή κατεργασία ορίζεται ως εξής: A0 Ad n= 100 A0 όπου n o συντελεστής ελάττωσης της διατομής Α0 το εμβαδό της διατομής πριν την παραμόρφωση Αd το εμβαδό της διατομής μετά την παραμόρφωση
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων (α) Αύξηση του ορίου διαρροής, (β) αύξηση της αντοχής σε εφελκυσμό και (γ) μείωση της ολκιμότητας συναρτήσει της επί τοις % ψυχρής κατεργασίας για το χάλυβα 1040, έναν ορείχαλκο και τον καθαρό χαλκό.
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Αύξηση του ορίου διαρροής Αύξηση της αντοχής σε διαρροή τριών κραμάτων Al, τα οποία υπέστησαν σκλήρυνση με ενδοτράχυνση. Αντοχή σε διαρροή, MPa Κράμα Al Ανοπτημένο Ημίσκληρο Σκληρό 1100 35 90 130 3005 65 140 185 5456 140 300 370
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Ισχυροποίηση με δημιουργία στερεού διαλύματος Iσχυροποίηση και σκλήρυνση των μετάλλων με την προσθήκη ατόμων ενός άλλου στοιχείου στο καθαρό μέταλλο. Σχηματισμός στερεού διαλύματος παρεμβολής ή αντικατάστασης. Παρεμπόδιση της κίνησης των διαταραχών από τα άτομα προσθήκης.
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Αύξηση μηχανικών ιδιοτήτων Αύξηση της (α) αντοχής σε εφελκυσμό, (β) σκληρότητας και (γ) της επιμήκυνσης συναρτήσει της περιεκτικότητας σε ψευδάργυρο κραμάτων Cu-Zn (ορείχαλκος).
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Αναπαράσταση στερεού διαλύματος Σχηματική αναπαράσταση των πλεγματικών παραμορφώσεων που προκαλούνται από την προσθήκη ατόμων (α) αντικατάστασης και (β) παρεμβολής.
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Σκλήρυνση με κατακρήμνιση λόγω γήρανσης Ο σχηματισμός μικρών και ομοιόμορφα διασκορπισμένων σωματιδίων μιας δεύτερης φάσης (κατακρημνίσματα), μέσα στο αρχικό μητρικό κρυσταλλικό πλέγμα, έχει ως συνέπεια την αύξηση της αντοχής και της σκληρότητας των μεταλλικών κραμάτων. Παρεμπόδιση της κίνησης των διαταραχών από τα κατακρημνίσματα. Κράματα που υφίστανται σκλήρυνση με κατακρήμνιση: Al-Cu, Al-Mg-Si και Al-Zn-Mg.
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Αύξηση μηχανικών ιδιοτήτων Αύξηση της αντοχής σε διαρροή τριών κραμάτων Al, τα οποία υπέστησαν σκλήρυνση με κατακρήμνιση. Αντοχή σε διαρροή, MPa Κράμα Al Τυπική σύσταση Αργή ψύξη Βαφή και γήρανση 2014 Al, 4.4 %Cu, Mg, Si, Mn 100 430 6061 Al, 1.0 %Mg, Si, Cr 55 275 7075 Al, 5.6% Zn, Mg, Cu 105 500
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Ισχυροποίηση με ελάττωση του μεγέθους των κόκκων Ένα υλικό το οποίο έχει μικρούς κόκκους είναι σκληρότερο και ισχυρότερο από ένα υλικό με μεγάλους κόκκους. Τα όρια των κόκκων λειτουργούν ως εμπόδιο στην κίνηση μιας διαταραχής. Ένα λεπτόκοκκο υλικό διαθέτει μεγαλύτερη συνολική επιφάνεια ορίων κόκκων, έτσι ώστε να παρεμποδίζει την κίνηση των διαταραχών.
Μηχανισμοί ισχυροποίησης μεταλλικών υλικών Αύξηση της αντοχής σε διαρροή Αύξηση της αντοχής σε διαρροή σε συνάρτηση με το μέγεθος των κόκκων για ένα κράμα ορείχαλκου 70%Cu-30%Zn. Η διάμετρος των κόκκων (d) μειώνεται από αριστερά προς δεξιά.
Τεχνολογία Υλικών Οχημάτων Τμήμα Οχημάτων Παναγιώτης Ματζινός, Επιστημονικός Συνεργάτης Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD
Χυτοσίδηροι Χυτοσίδηροι Οι χυτοσίδηροι είναι κράματα Fe-C, με άνθρακα περισσότερο από 2.06%. Πρακτικά οι χυτοσίδηροι περιέχουν 3.0-4.5% άνθρακα. O άνθρακας στους χυτοσιδήρους έχει πολύ συχνά τη μορφή του γραφίτη. Ο σχηματισμός του γραφίτη ευνοείται από τη παρουσία πυριτίου και χαμηλές ταχύτητες απόψυξης. Στο διάγραμμα φάσεων Fe-C παρατηρείται ότι οι χυτοσίδηροι έχουν σημείο τήξεως ~1150-1300ºC, το οποίο είναι μικρότερο από το σημείο τήξεως των χαλύβων. Συνεπώς οι χυτοσίδηροι μορφοποιούνται εύκολα με χύτευση.
Διάγραμμα φάσεων Σιδήρου-άνθρακα Μετασταθές διάγραμμα ισορροπίας Fe-Fe3C Χυτοσίδηροι
Χυτοσίδηροι Κατηγορίες χυτοσιδήρων Οι χυτοσίδηροι διακρίνονται σε: φαιούς ή γκρίζους ελατούς μαλακτικοποιημένους και λευκούς
Χυτοσίδηροι Φαιοί ή γκρίζοι χυτοσίδηροι Στους φαιούς χυτοσιδήρους (grey cast irons) ο γραφίτης βρίσκεται σε μορφή φύλλων. Τα φύλλα γραφίτη λειτουργούν ως εσωτερικές σχισμές. Είναι ψαθυροί και έχουν μικρή αντοχή στον εφελκυσμό. Η αντοχή τους κυμαίνεται από 100-350 MPa και η επιμήκυνση σε θραύση είναι ~ 1%. Υψηλή ικανότητα απόσβεσης των δονήσεων. Μικρό συντελεστή θερμικής διαστολής. Μικρογραφία φαιού ή γκρίζου χυτοσιδήρου. Φυλλοειδής γραφίτης
Χυτοσίδηροι Κρυσταλλική δομή των φαιών χυτοσιδήρων Η κρυσταλλική δομή των φαιών χυτοσιδήρων αποτελείται από γραφίτη υπό τη μορφή φύλλων διεσπαρμένων σε μια φερριτική ή περλιτική ή φερριτοπερλιτική μήτρα. Μικρογραφία φαιού χυτοσίδηρου φερριτοπερλιτικής μήτρας
Χυτοσίδηροι Εφαρμογές φαιών χυτοσιδήρων Κορμός κινητήρα. Κυλινδροκεφαλή.
Χυτοσίδηροι Εφαρμογές φαιών χυτοσιδήρων Γραναζοκιβώτιο. Έμβολο και υδρόψυκτο χιτώνιο. Χιτώνιο: φυγοκεντρική χύτευση
Χυτοσίδηροι Ελατοί χυτοσίδηροι Στους ελατούς χυτοσιδήρους (ductile cast irons) ο γραφίτης βρίσκεται σε μορφή σφαιρών. Παρασκευάζονται από τους φαιούς χυτοσιδήρους. Απαλλαγή από το φαινόμενο των σχισμών αύξηση της αντοχής και της ολκιμότητας. Οι μηχανικές τους ιδιότητες είναι συγκρίσιμες με αυτές των χαλύβων. Η αντοχή σε εφελκυσμό κυμαίνεται από 400-800 MPa και η επιμήκυνσή σε θραύση από 2-22%. Μικρογραφία ελατού χυτοσιδήρου. Σφαιροειδής γραφίτης.
Χυτοσίδηροι Κρυσταλλική δομή των ελατών χυτοσιδήρων Η κρυσταλλική δομή των ελατών χυτοσιδήρων αποτελείται από γραφίτη υπό τη μορφή σφαιρών διεσπαρμένων σε μια φερριτική ή περλιτική ή φερριτοπερλιτική μήτρα. Μικρογραφία ελατού χυτοσίδηρου φερριτικής μήτρας.
Χυτοσίδηροι Εφαρμογές ελατών χυτοσιδήρων Τύμπανο φρένου. Πολλαπλή εξαγωγής καυσαερίων. GGG - 40 (ελάχιστη αντοχή σε εφελκυσμό 400 MPa - ονοματολογία κατά DIN).
Χυτοσίδηροι Μαλακτικοποιημένοι χυτοσίδηροι Στους μαλακτικοποιημένους χυτοσιδήρους (malleable cast irons) ο γραφίτης βρίσκεται σε μορφή νιφάδων (nodules). Λαμβάνονται από τους λευκούς χυτοσιδήρους. Απαλλαγή από το φαινόμενο των σχισμών αύξηση της αντοχής και της ολκιμότητας. Η αντοχή σε εφελκυσμό κυμαίνεται από 340-690 MPa και η επιμήκυνσή σε θραύση από 2-10%. Μικρογραφία μαλακτικοποιημένου χυτοσιδήρου. Γραφίτης σε μορφή νιφάδων.
Χυτοσίδηροι Κρυσταλλική δομή των μαλακτικοποιημένων χυτοσιδήρων Η κρυσταλλική δομή των μαλακτικοποιημένων χυτοσιδήρων αποτελείται από γραφίτη υπό τη μορφή σφαιρών διεσπαρμένων σε μια φερριτική ή περλιτική μήτρα. Μικρογραφία μαλακτικοποιημένου χυτοσιδήρου φερριτικής μήτρας
Χυτοσίδηροι Εφαρμογές μαλακτικοποιημένων χυτοσιδήρων Τροχαλία. Περλιτικός μαλακτικοποιημένος χυτοσίδηρος κλάση 40010 (αντοχή σε εφελκυσμό 414 MPa 60 Ksi, όριο διαρροής 276 MPa - 40 Ksi, επιμήκυνση 10%). Χειρολαβή. Περλιτικός μαλακτικοποιημένος χυτοσίδηρος κλάση 40010.
Χυτοσίδηροι Λευκοί χυτοσίδηροι Στους λευκούς χυτοσιδήρους (white cast irons) το μεγαλύτερο μέρος του άνθρακα δεν αποχωρίζεται υπό τη μορφή μαλακού γραφίτη, αλλά σχηματίζει το σκληρό σεμεντίτη (Fe3C). Η δομή των λευκών χυτοσιδήρων αποτελείται από μεγάλες ποσότητες Fe3C σε περλιτική μήτρα. Ο σχηματισμός του σεμεντίτη ευνοείται από ταχείς ρυθμούς ψύξης και από μικρές περιεκτικότητες πυριτίου (<1%). Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές στις οποίες απαιτείται υψηλή σκληρότητα και αντοχή στη φθορά από τριβή. Από λευκό χυτοσίδηρο κατασκευάζονται πλάκες σπαστήρων, κύλινδροι ελάστρων, κύλινδροι κυλινδρόμυλων καθώς και εξαρτήματα μηχανών καθαρισμού και χυτηρίων. O λευκός χυτοσίδηρος χρησιμοποιείται για την παρασκευή των μαλακτών χυτοσιδήρων.
Χυτοσίδηροι Χυτοχάλυβες Οι χυτοχάλυβες (cast steels) είναι χάλυβες οι οποίοι χυτεύονται σε καλούπια. Διατηρούν τις ιδιότητες των χαλύβων, όπως αντοχή και συνεκτικότητα. Η αντοχή σε εφελκυσμό κυμαίνεται από 370-690 MPa και η επιμήκυνσή τους σε θραύση από 12 25%. Μικρογραφία χυτοχάλυβα
Χυτοσίδηροι Εφαρμογές χυτοχαλύβων Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή αντικειμένων που υπόκεινται σε υψηλές φορτίσεις, όπως κορμοί πρεσών, μεγάλες μηχανές, καθώς και για την κατασκευή εξαρτημάτων για γεωργικά μηχανήματα, εργαλειομηχανές και οχήματα. Τροχαλία. Χυτοχάλυβας κλάση 115-95 (αντοχή σε εφελκυσμό 795 MPa - 115 Ksi, όριο διαρροής 655 MPa - 95 Ksi, επιμήκυνση 14%).Ονοματολογία κατά ASTM.
Χυτοσίδηροι Κραματωμένοι χυτοσίδηροι Με προσθήκη κατάλληλων κραματικών στοιχείων, όλα τα είδη χυτοσιδήρων μπορεί να δώσουν κράματα με ιδιαίτερες ιδιότητες, όπως αντοχή στη διάβρωση, στη θερμότητα, στα οξέα, στις βάσεις, στις ξαφνικές αλλαγές της θερμοκρασίας καθώς και διαστασιακή σταθερότητα. Προσθήκη Si, Cr, Ni, έχει ως συνέπεια την αύξηση της αντιδιαβρωτικής αντοχής των χυτοσιδήρων σε οξειδωτικό περιβάλλον. Προσθήκη Si, Cr, Ni, Mo, Cu ή Al σε φαιούς ή σφαιροειδείς χυτοσιδήρους έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της αντοχής τους εν θερμώ, καθώς και της ανθεκτικότητά τους σε διαβρωτικά περιβάλλοντα. Η αντοχή των λευκών χυτοσιδήρων, μπορεί να βελτιωθεί ακόμη περισσότερο με προσθήκη κραματικών στοιχείων όπως Cr, Ni, Mo.
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Κατεργασία του χάλυβα σε ημιτελή και τελικά προϊόντα Για την παραγωγή των τελικών προϊόντων χάλυβα, όπως μορφοσίδηροι, σωλήνες, ελάσματα, κ.λ.π. χρησιμοποιούνται ημιτελή προϊόντα, όπως, κορμοί, ημιτελείς πλάκες, κλπ.
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Ημιτελή προϊόντα χάλυβα Τα ημιτελή προϊόντα παράγονται από τηγμένο χάλυβα μετά την κάθαρσή του (με τη μέθοδο εμφυσήσεως οξυγόνου ή με τη μέθοδο της ηλεκτρική καμίνου) και διακρίνονται σε: Χελώνες (πλινθώματα) (ingots) Κορμούς (blooms και billets) Ημιτελείς πλάκες (slabs)
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Ημιτελή προϊόντα χάλυβα Ημιτελείς πλάκες χάλυβα (slabs).
Διάγραμμα παραγωγής των ημιτελών προϊόντων χάλυβα
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Έτοιμα προϊόντα χάλυβα Τα έτοιμα προϊόντα χάλυβα, ανάλογα με το σχήμα που αποκτούν, μετά από την επεξεργασία τους με θερμή ή ψυχρή έλαση, ταξινομούνται σε: Μορφοσιδήρους (structural shapes) Ράβδους (bars και rods) Σωλήνες (tubes και pipes) Ελάσματα (sheets και strips) Πλάκες (plates) Σύρματα (wires).
Διάγραμμα μετατροπής ημιτελών προϊόντων χάλυβα σε τελικά προϊόντα
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Τελικά προϊόντα χάλυβα Ρολό μπετόβεργας.
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Χελώνες Μετά την παραγωγή του ο ρευστός χάλυβας εκχύνεται σε καλούπια προς σχηματισμό χελωνών (πλινθωμάτων). Οι χελώνες είναι έτοιμες για διαμόρφωση με μηχανική κατεργασία όπως έλαση, διέλαση ή σφυρηλασία. Ακόμη χρησιμοποιούνται για ανάτηξη και στη συνέχεια για παραγωγή χυτών προϊόντων. Το βάρος των χελωνών κυμαίνεται από 10 έως 40 τόνους. Μπορεί να φτάσει και τους 300 τόνους. Με τον ίδιο τρόπο παράγονται και οι χελώνες πρωτογενή χυτοσιδήρου (προϊόν υψικαμίνου).
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Κορμοί ή μπιγιέτες Οι κορμοί παράγονται με συνεχή χύτευση ή με θερμή έλαση χελωνών. Η διατομή τους είναι τετραγωνική. Χρησιμοποιούνται για την παραγωγή «μακρέων» προϊόντων χάλυβα. Κορμοί με πλάτος>20 cm ονομάζονται blooms και χρησιμοποιούνται για την παραγωγή δοκών διατομής Ι, Τ, Π, Η κλπ. (αμερικάνικη τυποποίηση). Κορμοί με πλάτος 5-18 cm ονομάζονται billets και χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ράβδων (συμπαγών) κυκλικής, τετραγωνικής, εξαγωνικής διατομής, κλπ.
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Ημιτελείς πλάκες Οι ημιτελείς πλάκες παράγονται με συνεχή χύτευση ή με θερμή έλαση χελωνών. Χρησιμοποιούνται για την παραγωγή «πλατέων» προϊόντων χάλυβα, όπως πλάκες και ελάσματα. Οι διαστάσεις των ημιτελών πλακών είναι: πάχος=25 cm, πλάτος=76-216 cm, και μήκος περίπου 6 m. Ακόμη παράγονται και λεπτές ημιτελείς πλάκες.
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Μορφοσίδηροι Χάλυβες μορφής Η, Π, Τ, Ι και άλλων τυποποιημένων σχημάτων. Η παραγωγή των μορφοσιδήρων περιλαμβάνει τα επόμενα γενικά στάδια: Κορμοί (blooms) Θέρμανση κορμών Θερμή έλαση (hot rolling) Θερμή κοπή σε κατάλληλο μήκος για περαιτέρω επεξεργασία (hot sawing) Ψύξη (cooling) Ευθυγράμμιση (straightening) Κοπή σε τελικό μήκος (cold cutting) Μορφοσίδηροι.
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Ράβδοι Χάλυβες συμπαγείς με διατομή σχήματος κυκλικού, τετραγωνικού, εξαγωνικού κ.α. Μια συνήθης κατηγορία ράβδων είναι και οι ράβδοι οπλισμού σκυροδέματος. Η παραγωγή των ράβδων περιλαμβάνει τα επόμενα γενικά στάδια: Μπιγιέτες (billets) Θέρμανση μπιγιετών Θερμή έλαση Κοπή εν θερμώ Ψύξη Ευθυγράμμιση Κοπή σε τελικό μήκος Ράβδοι θερμής κατεργασίας φινιρίσματος (hot finished). Οι ράβδοι ψυχρής κατεργασίας φινιρίσματος (cold finished) παράγονται από τους ράβδους θερμής κατεργασίας φινιρίσματος με ψυχρή έλαση.
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Σύρματα Το πρώτο βήμα για την παραγωγή των συρμάτων είναι η προετοιμασία ράβδων (rod wire) κατάλληλων για την ακολουθούμενη ψυχρή ολκή (cold drawing). Πριν την έλξη των ράβδων διαμέσου των μητρών (wire-drawing die) πραγματοποιείται καθαρισμός τους με οξέα για την αφαίρεση της σκουριάς, που σχηματίζεται κατά τη θερμή έλαση. Η μορφοποίηση των συρμάτων περιλαμβάνει τα επόμενα γενικά στάδια: Ράβδοι (rod wire) Ψυχρή ολκή Ανόπτηση κατεργασίας Πολλαπλές ολκές Ευθυγράμμιση και κοπή. Μπορεί να ακολουθήσει επιμετάλλωση (επιψευδαργύρωση-γαλβανισμός, επικασσιτέρωση, επικάλυψη με αλουμίνιο).
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Σωλήνες Οι σωλήνες διακρίνονται σε δυο κύριες κατηγορίες, συγκολλητούς (welded) και χωρίς ραφή (seamless). Συγκολλητοί: Χρησιμοποιείται χαλυβδοταινία, η οποία διαμορφώνεται σε σωλήνα και συγκολλάται. Χωρίς ραφή: Μορφοποίηση με διέλαση. Θερμή μπιγιέτα ωθείται σε έλαστρα και ο πυρήνας της διαπερνάται από βελόνα (piercer), με αποτέλεσμα την παραγωγή ενός διάτρητου σωλήνα με παχύ τοίχωμα. Ακολουθεί μείωση του τοιχώματος. Σε σωλήνες που έχουν παραχθεί με θερμή έλαση μπορεί να εφαρμοστεί ως τελική επεξεργασία η διέλκυση εν ψυχρώ (cold-finished). Η φάση παραγωγής εν ψυχρώ είναι ανάλογη με την διέλκυση του σύρματος και τη ψυχρή έλαση των λαμαρινών. Η επιψευδαργύρωση αποτελεί την πιο κοινή προστασία των χαλύβδινων σωλήνων από τη διάβρωση.
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Πλάκες Χρησιμοποιούνται ως δομικά υλικά βαρέων κατασκευών, όπως κτιρίων, γεφυρών, πλοίων, βαγονιών τρένων. Η παραγωγή των πλακών περιλαμβάνει τα εξής στάδια: Ημιτελείς πλάκες (slabs) Θέρμανση ημιτελών πλακών Καθαρισμός επιφάνειας από στρώμα σκουριάς με μηχανικό τρόπο (descaling) Θερμή έλαση Επιπεδοποίηση (leveling, flattening) Ψύξη Ψαλίδισμα και κοπή (shearing και cutting) Πλάκες.
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Ελάσματα και ταινίες Τα ελάσματα (sheets) καθώς και οι ταινίες (strips) με κατάλληλη διαμόρφωση μπορεί να παραλάβουν υψηλά φορτία. Τα ελάσματα αποτελούν την κύρια κατηγορία προϊόντων ανθρακούχων χαλύβων. Αντιστοιχούν σχεδόν στο μισό της παραγωγής των τελικών προϊόντων χάλυβα. Χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές όπου απαιτούνται κατεργασίες κοπής με πρέσες, διαμόρφωσης και συγκόλλησης. Μια σημαντική τους εφαρμογή είναι η κατασκευή αμαξωμάτων αυτοκινήτων.
Τυποποιημένες μορφές χάλυβα Ελάσματα και ταινίες Η παραγωγή των ελασμάτων και ταινιών περιλαμβάνει τα επόμενα στάδια: Ημιτελείς πλάκες (slabs) Θέρμανση ημιτελών πλακών Καθαρισμός σκουριάς με μηχανικό τρόπο (scale breaker) Θερμή έλαση Ελάσματα και ταινίες θερμής κατεργασίας (hot rolled). Όταν τα προϊόντα θερμής κατεργασίας χρησιμοποιούνται ως αρχικό υλικό για την παραγωγή προϊόντων ψυχρής έλασης (cold rolled) ή προϊόντων με μεταλλικές επικαλύψεις, τότε απαιτείται καθαρισμός με οξέα. Μπορεί να ακολουθήσει επιμετάλλωση (επιψευδαργύρωση -γαλβανισμός, επικασσιτέρωση-είδη λευκοσιδηρουργίας). Ένα μεγάλο μέρος της παραγωγής γαλβανισμένων λαμαρινών χρησιμοποιείται στην αυτοκινητοβιομηχανία.
Τεχνολογία Υλικών Οχημάτων Τμήμα Οχημάτων Παναγιώτης Ματζινός, Επιστημονικός Συνεργάτης Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD
Μορφοποίηση των μετάλλων Μορφοποίηση των μετάλλων Για την κατασκευή κάθε προϊόντος απαιτείται η εφαρμογή διάφορων τεχνικών κατεργασίας, προκειμένου το προϊόν να αποκτήσει το επιθυμητό σχήμα και κατάλληλες ιδιότητες. Η χύτευση καθώς και η σφυρηλασία αποτελούν ίσως τις αρχαιότερες τεχνικές κατεργασίας των μετάλλων στην ιστορία του ανθρώπινου είδους. Η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου για την μορφοποίηση ενός προϊόντος εξαρτάται από παράγοντες όπως το είδος του μετάλλου, οι ιδιότητές του, το σχήμα και το μέγεθος του αντικειμένου καθώς και το οικονομικό κόστος.
Μορφοποίηση των μετάλλων Τεχνικές μορφοποίησης των μετάλλων Ταξινόμηση των κυριότερων τεχνικών μορφοποίησης των μετάλλων.
Μορφοποίηση των μετάλλων Μηχανικές κατεργασίες διαμόρφωσης των μετάλλων Η διαμόρφωση επιτυγχάνεται με την πρόσδοση μηχανικού έργου. Κυριότερες μηχανικές κατεργασίες διαμόρφωσης: Έλαση Διέλαση με συμπίεση (εξώθηση) Διέλαση με έλξη (διέλκυση) Σφυρηλασία Μέθοδοι διαμόρφωσης επίπεδου ελάσματος (κάμψη, βαθεία κοίλανση, έκταση)
Μορφοποίηση των μετάλλων Έλαση Συνίσταται στο πέρασμα ενός μετάλλου μεταξύ δυο κυλίνδρων. Η μείωση στο πάχος οφείλεται στην άσκηση θλιπτικών τάσεων από τους κυλίνδρους. Η έλαση πραγματοποιείται είτε εν θερμώ είτε εν ψυχρώ. Σχηματική αναπαράσταση έλασης (α) με πρωτεύοντα ράουλα και (β) με συνδυασμό πρωτευόντων και δευτερευόντων ραούλων.
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές έλασης Σχηματική αναπαράσταση παραγωγής χαλυβδόφυλλων.
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές έλασης Η θερμή έλαση χρησιμοποιείται για την παραγωγή ελασμάτων, λωρίδων, φύλλων, δοκών, όπως οι ράγες σιδηροτροχιών τρένων. Το αρχικό υλικό είναι συνήθως ημιτελή προϊόντα χύτευσης, όπως πλάκες, κορμοί ή μπιγιέτες. Η ψυχρή έλαση χρησιμοποιείται για την παραγωγή ελασμάτων, Ροδέλα γενικής χρήσης, ανθρακούχος χάλυβας λωρίδων και φύλλων με Ψυχρή έλαση (cold rolled). τελική επιφάνεια υψηλής ποιότητας.
Μορφοποίηση των μετάλλων Διέλαση με συμπίεση (εξώθηση) Στην διέλαση με συμπίεση (εξώθηση) μια δοκός μετάλλου διέρχεται μέσα από μια μήτρα υπό την πίεση ενός εμβόλου. Μείωση της διατομής συνοδευόμενη από αύξηση του μήκους. Επιτυγχάνονται πολύπλοκες γεωμετρίες διατομής. Η κατεργασία συνήθως πραγματοποιείται εν θερμώ. Σχηματική αναπαράσταση διέλασης (α) συμπαγούς μεταλλικού τεμαχίου και (β) σωλήνα.
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές διέλασης με συμπίεση Η παραγωγή σωλήνων (χωρίς ραφή) αποτελεί μια από τις σημαντικότερες εφαρμογές αυτής της μεθόδου. Ακόμη ράβδοι παράγονται με αυτή την τεχνική. Σωλήνας λαδιού. Θερμή έλαση σωλήνων χωρίς ραφή (hot rolled), διέλκυση εν ψυχρώ (cold-drawn).
Μορφοποίηση των μετάλλων Διέλαση με έλξη (διέλκυση) Το μέταλλο διέρχεται διαδοχικά μέσα από μήτρες, ολοένα και πιο στενές λόγω μιας δύναμης ελκυσμού, που εφαρμόζεται στο μέταλλο από την πλευρά της εξόδου. Μείωση της διατομής και αύξηση του μήκους. Οι μήτρες κατασκευάζονται από κατάλληλους εργαλειοχάλυβες. (α) Συρματοποίηση και (β) κάτοψη μήτρας συρματοποίησης.
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές διέλασης με έλξη Με αυτή την μέθοδο συνήθως παράγονται κύλινδροι, σωλήνες και σύρματα. Ελατήριο συμπιέσεως, Διέλκυση εν ψυχρώ (cold drawn).
Μορφοποίηση των μετάλλων Σφυρηλασία Μορφοποίηση των μετάλλων με εφαρμογή πίεσης ή διαδοχικών χτυπημάτων (θλιπτική καταπόνηση). Μερικά μέταλλα μπορούν να σφυρηλατηθούν εν ψυχρώ, ωστόσο ο σίδηρος και οι χάλυβες σφυρηλατούνται σχεδόν πάντοτε εν θερμώ. Διαμόρφωση με σφυρηλασία.
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές σφυρηλάτησης Στροφαλοφόροι άξονες αυτοκινήτων, διωστήρες (μπιέλες) και μηχανικά κλειδιά αποτελούν τυπικά προϊόντα αυτής της τεχνικής. Τα σφυρηλατημένα εξαρτήματα είναι ισχυρότερα από αυτά που μορφοποιούνται με χύτευση ή σε εργαλειομηχανές. Σχηματισμός ινώδους ιστού σε όλο το σώμα του αντικειμένου. Εξαρτήματα με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Τομή σφυρήλατου διωστήρα (μπιέλας), στον οποίο φαίνεται η ροή των κόκκων.
Μορφοποίηση των μετάλλων Κατεργασίες διαμόρφωσης επίπεδου ελάσματος Κάμψη Βαθεία κοίλανση Διαμόρφωση σε έκταση
Μορφοποίηση των μετάλλων Κάμψη Επιτυγχάνονται καμπυλότητες σε επίπεδα ελάσματα με την εφαρμογή κάμψης. Τα ελάσματα θα πρέπει κατά το δυνατόν να κάμπτονται κάθετα στην διεύθυνση της ελάσεως. Διαμόρφωση με κάμψη.
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές κάμψης Με την κατεργασία αυτή κατασκευάζονται τοιχώματα δοχείων, τύμπανα και διάφορα άλλα εξαρτήματα. Με κάμψη μπορούν επίσης να διαμορφωθούν οι σωλήνες και τα προφίλ. Κλιπ καθίσματος, ελατήριο έκτασης (tension spring), ανθρακούχος χάλυβας.
Μορφοποίηση των μετάλλων Βαθεία κοίλανση Η διαμόρφωση ενός ελάσματος σε κοίλο σώμα (κυάθιο), χωρίς ουσιαστική μεταβολή του πάχους του ελάσματος. Η δύναμη διαμόρφωσης εφαρμόζεται μέσω ενός εμβόλου, που κατά την κάθοδό του καταπονεί το υλικό σε θλίψη και εφελκυσμό. Τα υλικά που προορίζονται για βαθεία κοίλανση πρέπει να έχουν υψηλή ικανότητα επιμήκυνσης. Η κατεργασία γίνεται εν ψυχρώ για επίτευξη ακρίβειας της κατασκευής. Διαμόρφωση με βαθεία κοίλανση.
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές κοίλης διαμόρφωσης Πόρτα πλατφόρμας φορτηγού, ανθρακούχος χάλυβας St 37-2. Διαμόρφωση και συγκόλληση χαλυβδοελασμάτων (λαμαρινών).
Μορφοποίηση των μετάλλων Διαμόρφωση σε έκταση Στην διαμόρφωση με έκταση, ένα λεπτό έλασμα κυκλικής διατομής μορφοποιείται σε κέλυφος. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή μιας διαξονικής εφελκυστικής τάσης μέσω ενός εμβόλου. Διαμόρφωση με έκταση.
Μορφοποίηση των μετάλλων Χύτευση Η χύτευση είναι μια τεχνική μορφοποίησης των μετάλλων κατά την οποία ένα πλήρως τηγμένο μέταλλο χύνεται στην κοιλότητα ενός καλουπιού (τύπος ή μήτρα) με το επιθυμητό σχήμα. Η στερεοποίηση του μετάλλου συνοδεύεται από κάποιο βαθμό συστολής. Η χύτευση εφαρμόζεται για την κατασκευή αντικειμένων με πολύπλοκη γεωμετρία, που η κατασκευή τους με οποιαδήποτε άλλη μέθοδο θα ήταν δύσκολη ή μη οικονομική.
Μορφοποίηση των μετάλλων Τεχνικές χύτευσης (είδος καλουπιού) Με βάση το είδος του καλουπιού η χύτευση διακρίνεται: Χύτευση σε μη μόνιμο καλούπι (περιλαμβάνει καλούπια άμμου, πολυμερούς, γύψου, κελύφους και επένδυσης-τεχνική του απολεσθέντος κεριού). Χύτευση σε μόνιμο καλούπι (συνήθως το καλούπι κατασκευάζεται από μέταλλο).
Μορφοποίηση των μετάλλων Χύτευση σε μόνιμο καλούπι Οι χυτεύσεις σε μόνιμο καλούπι μπορεί να υποβοηθούν από τη χρήση πίεσης, κενού ή φυγόκεντρης δύναμης. Διακρίνονται τουλάχιστον τέσσερις μέθοδοι: Χύτευση με χαμηλή πίεση. Χύτευση υπό πίεση. Φυγοκεντρική χύτευση. Συνεχής χύτευση.
Μορφοποίηση των μετάλλων Χύτευση σε μη μόνιμο καλούπι Τα καλούπια καταστρέφονται κατά την εξαγωγή του χυτού. Διακρίνονται τα παρακάτω είδη χύτευσης: Αμμοχύτευση Χύτευση επένδυσης Χύτευση κελύφους
Μορφοποίηση των μετάλλων Τεχνικές χύτευσης (τρόπος τροφοδοσίας) Με βάση τον τρόπο τροφοδοσίας η χύτευση διακρίνεται: Στην εκ των άνω ή κατευθείαν χύτευση. Η απόχυση πραγματοποιείται από πάνω και η στερεοποίηση αρχίζει από το κατώτερο τμήμα του. Στην εν αναρροή ή πηγαία χύτευση. Η τροφοδοσία πραγματοποιείται από τη βάση.
Μορφοποίηση των μετάλλων Τροφοδοσία (εκ των άνω, κατ αναρροή) Χύτευση με (α) απόχυση εκ των άνω και (β) απόχυση κατ αναρροή.
Μορφοποίηση των μετάλλων Τεχνικές χύτευσης (ρυθμός απόχυσης) Με βάση το ρυθμό απόχυσης του τήγματος διακρίνεται: Χύτευση κατά ποσότητες σε καλούπια (ημιτελές προϊόν: χελώνα). Συνεχής χύτευση (ημιτελή προϊόντα: κορμοί, μπιγιέτες, πλάκες).
Μορφοποίηση των μετάλλων Αμμοχύτευση Η αμμοχύτευση είναι ίσως η πιο κοινή και απλή μέθοδος χύτευσης, η οποία χρησιμοποιείται για αιώνες. Ως υλικό κατασκευής του καλουπιού χρησιμοποιείται κοινή άμμος. Αρχικά κατασκευάζεται ένα μοντέλο από ξύλο, πλαστικό ή αν η καταπόνηση είναι μεγάλη από μέταλλο. Όταν το χυτό έχει κοιλότητες χρησιμοποιούνται πυρήνες (καρδιές) από ειδική άμμο.
Μορφοποίηση των μετάλλων Μοντέλα-Αποτυπώματα Μεταλλικά μοντέλα. Αποτυπώματα των μοντέλων στην άμμο.
Μορφοποίηση των μετάλλων Καρδιές Διάφορες καρδιές έτοιμες για χρήση.
Μορφοποίηση των μετάλλων Στιγμιότυπο αμμοχύτευσης Αμμοχύτευση χυτοσιδήρου
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές αμμοχύτευσης Με αμμοχύτευση κατασκευάζονται προϊόντα όπως: κυλινδροκεφαλές κινητήρων αυτοκινήτων Βάσεις βαγονιών Πυροσβεστικοί κρουνοί Μεγάλοι σύνδεσμοι σωληνώσεων. Γωνίες νερού, Χύτευση σε άμμο ή μεταλλικό τύπο (sand casting, permanent casting).
Μορφοποίηση των μετάλλων Χύτευση επένδυσης Η χύτευση επένδυσης (γνωστή ως χύτευση απολεσθέντος κεριού), χρησιμοποιείται εδώ και 5000 χρόνια. Είτε με χρήση κεριού μέλισσας, είτε με χρήση των σημερινών υψηλής τεχνολογίας κεριών, πάντοτε κατασκευάζονται χυτά με μεγάλη ακρίβεια στις διαστάσεις και υψηλή ποιότητα στην επιφάνεια. Το μοντέλο κατασκευάζεται από κερί ή πλαστικό με χαμηλό σημείο τήξης. Γύρω από το μοντέλο χύνεται ένα ρευστό διάλυμα, συνήθως γύψος ή άλλο κεραμικό, το οποίο σχηματίζει μια επένδυση, που αποτελεί το καλούπι του χυτού. Στη συνέχεια το καλούπι θερμαίνεται, έτσι ώστε να λιώσει το μοντέλο αφήνοντας μια κοιλότητα στο επιθυμητό σχήμα.
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές χύτευσης επένδυσης Η χύτευση επένδυσης γενικά χρησιμοποιείται για την χύτευση μικρών αντικειμένων π.χ. στην κοσμηματοποιία και στην οδοντοτεχνική. Ακόμη, χρησιμοποιείται για την παραγωγή ολόκληρων σκελετών πορτών αεροπλάνων. Επίσης, τα πτερύγια σε αεροστροβίλους και αεροπροωθούμενες μηχανές είναι χυτά επένδυσης. Κάλυμμα βαλβίδας.
Μορφοποίηση των μετάλλων Χύτευση σε μόνιμο καλούπι υπό πίεση Το λιωμένο μέταλλο διοχετεύεται στην κοιλότητα του καλουπιού υπό πίεση. Η πίεση διατηρείται σε όλη την διάρκεια της στερεοποίησης. Το καλούπι κατασκευάζεται από μέταλλο και αποτελείται από δυο τμήματα. Όταν το μέταλλο στερεοποιηθεί τα δυο τμήματα ανοίγουν και Χύτευση σε μόνιμο καλούπι υπό πίεση εξάγεται το χυτό. (die casting).
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές χύτευσης υπό πίεση Είναι κατάλληλη για την παραγωγή μικρού και μεσαίου μεγέθους εξαρτημάτων με υψηλή ποιότητα επιφάνειας, αναπαραγωγή λεπτομερειών και διαστασιακή σταθερότητα. Προσφέρεται για την χύτευση κραμάτων τα οποία έχουν χαμηλό σημείο τήξεως, όπως: Κραμάτων αλουμινίου Κραμάτων ψευδαργύρου Κραμάτων μαγνησίου. Τροχαλία, Χύτευση υπό πίεση (die casting).
Μορφοποίηση των μετάλλων Συνεχής χύτευση Στην συνεχή χύτευση το λιωμένο μέταλλο, στο τέλος της διαδικασίας εξαγωγής του από τα ορυκτό, στερεοποιείται στη μορφή ημιτελών προϊόντων, όπως: κορμών (blooms), μπιγιετών (billets) ή πλακών (slabs). Τα ημιτελή προϊόντα είναι κατάλληλα ως αρχικό υλικό για επακόλουθες διεργασίες μορφοποίησης (π.χ. έλασης, διέλασης, κλπ.).
Συνεχής χύτευση Σχηματικά αναπαράσταση συνεχούς χύτευσης. 1. Κάδος χύτευσης, 2. Ράβδος διακοπής ροής, 3. Ενδιάμεσο δοχείο, 4. Πυρίμαχος σωλήνας 5. Υδρόψυκτο καλούπι, 6. Ράουλα υποστήριξης, 7. Ζώνη κάμψης, 8. Πυρίμαχος σωλήνας, 9. Στάθμη τήγματος, 10. Μηνίσκος, 11. Μηχανή έλξης και ευθυγράμμισης, 12. Ημιτελής πλάκα. Α. Τήγμα, Β. Στερεοποιημένο μέταλλο, C. Σκουριά, D. Υδρόψυκτο καλούπι από χαλκό, Ε. Πυρίμαχο υλικό.
Μορφοποίηση των μετάλλων Μηχανή συνεχούς χύτευσης αλουμινίου
Μορφοποίηση των μετάλλων Προϊόντα συνεχούς χύτευσης Κολώνες και πλάκες πρωτόχυτου αλουμινίου.
Μορφοποίηση των μετάλλων Μικροδομή χυτού Ψυχρή ζώνη Αποτελείται από μικρούς ισοαξονικούς κόκκους. Κιονική ζώνη Μια ενδιάμεση περιοχή από επιμήκεις κόκκους, παράλληλους προς τη διεύθυνση της ροής της θερμότητας. Είναι ανεπιθύμητοι γιατί έχουν ανισοτροπικές ιδιότητες. Ισοαξονική ζώνη - Μια κεντρική περιοχή από ισοαξονικούς κρυστάλλους. Είναι επιθυμητοί γιατί έχουν ισοτροπικές ιδιότητες. Ο σχηματισμός αυτή της ζώνης Δομή χυτού όπου φαίνεται η ψυχρή ζώνη, η ευνοείται από τη χρήση μικρής θερμοκρασίας έκχυσης, κιονική ζώνη και η ισοαξονική ζώνη προσθήκης συστατικών που ενισχύουν την πυρήνωση και
Μορφοποίηση των μετάλλων Κονιομεταλλουργία Η κονιομεταλλουργία είναι μια τεχνική μορφοποίησης μεταλλικών αντικειμένων από μεταλλικές σκόνες. Αυτή η μέθοδος παραδοσιακά χρησιμοποιήθηκε για την κατασκευή κεραμικών προϊόντων. Περιλαμβάνει την ανάμιξη των μεταλλικών σκόνεων, τη συμπίεσή τους και ακολούθως τη θερμική κατεργασία τους (πυροσυσσωμάτωση). Η πυροσυσσωμάτωση (sintering) σε στερεά κατάσταση πραγματοποιείται σε θερμοκρασία χαμηλότερη του σημείου τήξης των συστατικών του μίγματος των σκόνεων, μέχρι που τα σωματίδια να κολλήσουν το ένα με το άλλο. Σε νεότερες τεχνικές τα στάδια της συμπίεσης και της πυροσυσσωμάτωσης πραγματοποιούνται ταυτόχρονα.
Μορφοποίηση των μετάλλων Στάδια κονιομεταλλουργίας Η διαδικασία παραγωγής προϊόντων κονιμεταλλουργίας περιλαμβάνει τα παρακάτω στάδια: Ανάμιξη σκόνεων Συμπίεση Πυροσυσσωμάτωση Καλιμπράρισμα Σχηματική αναπαράσταση των σταδίων παραγωγής αντικειμένων κονιομεταλουργίας.
Μορφοποίηση των μετάλλων Πυροσυσσωμάτωση (α) Ηλεκτρονική μικροφωτογραφία των λαιμών που συνδέουν τους κόκκους, (β) Σχηματική αναπαράσταση της πυροσυσσωμάτωσης Η πυροσυσσωμάτωση είναι μια θερμική κατεργασία κατά την οποία γειτονικά μεταλλικά σωματίδια συνδέονται μεταξύ τους. Μεταξύ των κόκκων δημιουργούνται γέφυρες, με τη μορφή λαιμών. Άτομα από τους κόκκους μεταφέρονται στην περιοχή του λαιμού, μέσω διάχυσης καθώς και άλλων μηχανισμών μεταφοράς μάζας. Οι πόροι αρχίζουν να αποκτούν σφαιρική μορφή.
Μορφοποίηση των μετάλλων Τεχνικές κονιομεταλλουργίας Σχηματική αναπαράσταση της τεχνικής κονιομεταλλουργίας συμπίεσης εν θερμώ. Σχηματική αναπαράσταση της τεχνικής κονιομεταλλουργίας ισοστατικής συμπίεσης εν θερμώ (HIP).
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές κονιομεταλλουργίας Νηματίδια λυχνιών και ηλεκτρικές αντιστάσεις από πυρίμαχα μέταλλα, τα οποία έχουν υψηλό σημείο τήξεως, όπως W, Mo, Ta και Nb. Αντιτριβικοί δακτύλιοι και φίλτρα με υψηλό πορώδες. Εργαλεία κοπής, πτερύγια στροβίλων κλπ. από μεταλλικές σκόνες σκληρομετάλλων (W, Ti, Ta), καρβιδίων και οξειδίων τους, καθώς και διαμαντιού. Πλακίδια κοπής από σκληρομέταλλα. Κατασκευασμένα με κονιομεταλλουργία. Μπορεί να περιέχουν: Al2O3, ZrO2, SiC, TiN, W, Co, Ni, Cr, Ta ή Mo.
Μορφοποίηση των μετάλλων Συγκόλληση Η συγκόλληση αποτελεί μια τεχνική παραγωγής, η οποία συνδέει μόνιμα δύο ή περισσότερα μεταλλικά τμήματα για την κατασκευή ενός ενιαίου τελικού προϊόντος. Η σύνδεση δεν είναι μόνο μηχανική, όπως η σύνδεση με πριτσίνωμα ή κοχλίωση. Περιλαμβάνει διάχυση και το σχηματισμό μεταλλικού δεσμού ή δευτερευουσών δεσμών Van der Waals. Η συγκόλληση επιτυγχάνεται με τη θέρμανση, σε μια αρκετά υψηλή θερμοκρασία, των μεταλλικών τμημάτων που πρόκειται να ενωθούν έως την τήξη τους. Για την πλήρωση του αρμού τήκεται επίσης και ένα όμοιο πρόσθετο υλικό. Έτσι δημιουργείται ένα λουτρό μετάλλου, το οποίο κατά την στερεοποίησή του σχηματίζει μια ισχυρή σύνδεση ανάμεσα στα κατεργαζόμενα τμήματα. Ανάλογα με την πηγή θερμότητας οι μέθοδοι συγκολλήσεως διακρίνονται σε συγκόλληση με αέριο (οξυγονοκόλληση) ή ηλεκτροσυγκόλληση (δημιουργία ηλεκτρικού τόξου).
Μορφοποίηση των μετάλλων Θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη (ΘΕΖ) Στην περιοχή της σύνδεσης μπορεί να αναγνωριστεί ένας αριθμός διακριτών ζωνών: Το μέταλλο βάσης Το μέταλλο συγκόλλησης και Την περιοχή σύντηξης (μέταλλο βάσης + διάχυση μετάλλου συγκόλλησης). θερμικά επηρεαζόμενη ζώνη, ΘΕΖ (Heat affected zone, ΗΑΖ). Λόγω της θέρμανσης της σε υψηλές θερμοκρασίες υφίσταται μεταβολές στη δομή και τις ιδιότητές της. Οι συγκολλήσεις με δέσμη λέιζερ (laser) και δέσμη ηλεκτρονίων έχουν ως αποτέλεσμα τον περιορισμό της ΘΕΖ. Σχηματική αναπαράσταση των ζωνών μιας τυπική συγκόλλησης σύντηξης.
Μορφοποίηση των μετάλλων Εφαρμογές συγκόλλησης Βάση στήριξης. Θερμή ή Ψυχρή έλαση (hot rolled, cold rolled). Χρήση συγκόλλησης. Κατασκευή εξαρτήματος με συγκόλληση.
Τεχνολογία Υλικών Οχημάτων Τμήμα Οχημάτων Κραματωμένοι χάλυβες Ανοξείδωτοι χάλυβες Εργαλειοχάλυβες Παναγιώτης Ματζινός, Επιστημονικός Συνεργάτης Χημικός Μηχανικός, MPhil, PhD
Χάλυβες Χάλυβες Τα σιδηρούχα κράματα διακρίνονται σε χάλυβες και χυτοσιδήρους. Είναι κράματα Fe-C, με μέγιστη περιεκτικότητα σε άνθρακα 2.0% κ.β. Συνήθως η περιεκτικότητα σε άνθρακα είναι μικρότερη από 1.5% κ.β. Εκτός του άνθρακα είναι δυνατόν να υπάρχουν και άλλα κραματικά στοιχεία, τα οποία επηρεάζουν τις χημικές, φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των χαλύβων. Οι χάλυβες διαθέτουν ένα μεγάλο εύρος μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων λόγω της ποικιλομορφίας της χημικής τους σύστασης και της δυνατότητας τους να επιδέχονται θερμική επεξεργασία και να αποκτούν εντελώς διαφορετικές ιδιότητες. Το κύριο μειονέκτημα πολλών σιδηρούχων κραμάτων είναι η ευαισθησία τους στη διάβρωση.
Χάλυβες Διάκριση των χαλύβων Ως προς τη χημική τους σύσταση διακρίνονται σε: Κοινούς ανθρακούχους χάλυβες και Κραματοχάλυβες. Ως προς τον προορισμό τους σε: Χάλυβες διαμόρφωσης και Χάλυβες χύτευσης ή χυτοχάλυβες. Ως προς τη βιομηχανική χρήση τους σε: Χάλυβες κατασκευών (ανθρακούχοι και κραματωμένοι χάλυβες), Εργαλειοχάλυβες, Ανοξείδωτους και πυρίμαχους χάλυβες και Χάλυβες ηλεκτρομαγνητικών εφαρμογών.
Χάλυβες Ονοματολογία κατά AISI-SAE Οι οργανισμοί AISI (American Iron and Steel Institute), SAE (Society of Automotive Engineers) και ASTM (American Society for Testing and Materials) είναι υπεύθυνοι για την τυποποίηση και τις προδιαγραφές των χαλύβων καθώς και άλλων κραμάτων. Για την τυποποίηση των χαλύβων κατά το σύστημα AISI-SAE χρησιμοποιείται ένας τετραψήφιος αριθμός. Τα δυο πρώτα ψηφία υποδηλώνουν την ποιότητα του χάλυβα. Για παράδειγμα, 10xx συμβολίζει τους κοινούς ανθρακούχους χάλυβες, 43xx τους χάλυβες νικελίουχρωμίου-μολυβδαινίου, κλπ. Τα δυο τελευταία ψηφία του αριθμού υποδηλώνουν προσεγγιστικά την περιεκτικότητα του άνθρακα επί 100. Για παράδειγμα, 1090 είναι ένας ανθρακούχος χάλυβας με 0.90% κ.β. C.
Χαρακτηρισμός των χαλύβων κατά το σύστημα AISI-SAE Συμβολισμός Σειράς Ποιότητα χάλυβα και περιεκτικότητα των προσθηκών, % Ανθρακούχοι χάλυβες 10xx Κοινοί χάλυβες (Mn 1% μέγιστο) 11xx Κοινοί χάλυβες με S 12xx Κοινοί χάλυβες με S και P 15xx Κοινοί χάλυβες (1.0-1.65% Mn) Χάλυβες μαγγανίου 13xx 1.75% Mn Χάλυβες νικελίου 23xx 3.5% Ni 25xx 5.0% Ni
Χαρακτηρισμός των χαλύβων κατά το σύστημα AISI-SAE Χάλυβες νικελίου - χρωμίου 31xx 1.25% Ni, 0.65 και 0.8% Cr 32xx 1.75% Ni, 1.07% Cr 33xx 3.5% Ni, 1.5 και 1.57% Cr 34xx 3.0% Ni, 0.77% Cr Χάλυβες μολυβδαινίου 40xx 0.20 και 0.25% Mo 44xx 0.40 και 0.52% Mo Χάλυβες χρωμίου - μολυβδαινίου 41xx 0.50, 0.80 και 0.95% Cr, 0.12, 0.20, 0.25 και 0.30% Mo Χάλυβες νικελίου - χρωμίου - μολυβδαινίου 43xx 1.82% Ni, 0.50 και 0.80% Cr, 0.25% Mo Χάλυβες νικελίου - μολυβδαινίου 46xx 0.85 και 1.82% Ni, 0.20 και 0.25% Mo
Χαρακτηρισμός των χαλύβων κατά το σύστημα AISI-SAE Χάλυβες χρωμίου 50xx 0.27, 0.40, 0.50 και 0.65% Cr 51xx 0.80, 0.87, 0.92, 0.95, 1.0 και 1.05% Cr 50xx 0.50 % Cr (1.0% C ελάχιστο) 51xxx 1.02 % Cr (1.0% C ελάχιστο) 52xxx 1.45 % Cr (1.0% C ελάχιστο) Χάλυβες χρωμίου-βαναδίου 61xx 0.60, 0.80 και 0.95% Cr, 0.10 και 0.15% V Χάλυβες βολφραμίου-χρωμίου 72xx 1.75% W, 0.75% Cr Χάλυβες νικελίου - χρωμίου - μολυβδαινίου 81xx 0.30% Ni, 0.40% Cr, 0.12% Mo 86xx 0.55% Ni, 0.50% Cr, 0.20% Mo 87xx 0.55% Ni, 0.50% Cr, 0.25% Mo 88xx 0.55% Ni, 0.50% Cr, 0.35% Mo
Χαρακτηρισμός των χαλύβων κατά το σύστημα AISI-SAE Χάλυβες πυριτίου - μαγγανίου 92xx 1.40 και 2.00% Si, 0.65, 0.82 και 0.85% Mn Χάλυβες νικελίου - χρωμίου - μολυβδαινίου 93xx 3.25% Ni, 1.20% Cr, 0.12% Mo 94xx 0.45% Ni, 0.40% Cr, 0.12% Mo 97xx 0.55% Ni, 0.20% Cr, 0.20% Mo 98xx 1.00% Ni, 0.80% Cr, 0.25% Mo Χάλυβες βορίου xxbxx Το Β υποδηλώνει χάλυβα βορίου Χάλυβες μολύβδου xxlxx Το L υποδηλώνει χάλυβα μολύβδου
Χάλυβες Ονοματολογία κατά το γερμανικό σύστημα St 44-2 είναι κοινός ανθρακούχος χάλυβας με αντοχή σε εφελκυσμό 44 Kg/mm2 (44x9.81 = 431.6 N/mm2) και ανήκει στην ομάδα ποιότητας 2, σύμφωνα με τους πίνακες DIN (Deutsches Institut fuer Normung). Για κάθε χάλυβα υπάρχουν τρεις ποιότητες: Η ποιότητα 1 για συνηθισμένες απαιτήσεις, 2 για μεγαλύτερες και 3 για ειδικές απαιτήσεις. ΖSt 50-2, είναι χάλυβας κατάλληλος για μορφοποίηση με διέλκυση (έλξη). Τα γράμματα Q, P και Z, υποδηλώνουν χάλυβες που είναι κατάλληλοι για διαμόρφωση εν ψυχρώ με κοίλανση (cold flanging), διέλαση (cold roll forming) και διέλκυση (cold drawing). C 40 είναι ένας χάλυβας επιβελτιώσεως με 0.40% C. Ck 10 είναι ένας εξευγενισμένος χάλυβας ενανθρακώσεως. 33NiCrMo 14-5 είναι κραματωμένος χάλυβας με 0.33% C, 14/4=3.5% Ni, 5/4=1.25% Cr και 0.45% Mo. Χ5CrNi 18-10 είναι ανοξείδωτος χάλυβας με 0.05% C, 18% Cr και 10% Ni. Ο πολύ κοινός χάλυβας επιβελτιώσεως 42CrMo 4 έχει Werkst. Nr. 1.7225.
Χάλυβες Ανθρακούχοι χάλυβες Οι χάλυβες μικρής περιεκτικότητας σε άνθρακα (<0.25%) δεν προορίζονται για θερμική κατεργασία. Παράγονται σε μεγαλύτερες ποσότητες από κάθε άλλο τύπο χάλυβα, είναι φθηνότεροι, μπορούν να υποστούν μηχανική επεξεργασία και είναι συγκολλήσιμοι. Παρουσιάζουν φερριτοπερλιτική δομή, είναι μαλακοί, με σχετικά μικρή αντοχή, αλλά μεγάλη ολκιμότητα και δυσθραυστότητα. Χρησιμοποιούνται ως χάλυβες γενικών κατασκευών για κατασκευή στραντζαριστών, προφίλ εν ψυχρώ, φύλλων για βαθεία κοίλανση, δομικών σχημάτων (Ι- δοκοί, ράβδοι, κλπ.), εξαρτημάτων, χαλυβδόφυλλων και χάλυβες αυτομάτων. Χάλυβες με μέτρια περιεκτικότητα σε άνθρακα (0.25-0.60%) μπορούν να υποστούν θερμική κατεργασία και συνήθως χρησιμοποιούνται σε κατάσταση σκλήρυνσης και επαναφοράς. Χάλυβες με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα (0.60-1.40%) χρησιμοποιούνται πάντοτε σε κατάσταση σκλήρυνσης και επαναφοράς. Είναι σκληροί και ανθεκτικοί στην τριβή και βρίσκουν εφαρμογή στην κατασκευή π.χ. κοπτικών εργαλείων, ελατηρίων, μαχαιριών, κλπ.
Χάλυβες Ανθρακούχοι χάλυβες Μηχανικές Ιδιότητες Χάλυβας κατά AISI/SAE Σύσταση (%) Αντοχή σε εφελκυσμό, MPa Αντοχή σε διαρροή MPa Επιμή -κυνση, % Τυπικές εφαρμογές Χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακας 1010 1020 0.10 C, 0.45 Mn 0.20 C, 0.45 Mn 325 180 28 380 205 25 Ελάσματα, σωλήνες, καρφιά και σύρμα. Ελάσματα, σωλήνες, μεταλλικές κατασκευές. Χάλυβες μέτριας περιεκτικότητας σε άνθρακας (βαφή και επαναφορά) 1040 0.40 C, 0.75 Mn 605-780 430-585 33-19 Κοχλίες, πείροι, στροφαλοφόροι άξονες. Χάλυβες υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακας (βαφή και επαναφορά) 1080 1095 0.80 C, 0.75 Mn 0.95 C, 0.40 Mn 800-1310 480-980 24-13 Εργαλεία κοπής, σφυριά. 760-1280 510-830 26-10 Εργαλεία, ελατήρια, λάμες.