Mechanizm odkształcenia plastycznego i umocnienia metali i stopów.
Odkształcenie metalu powyżej określonej granicy, zwanej granicą sprężystości powoduje odkształcenie plastyczne (odkształcenie trwałe). Odkształcenie to zachodzi głównie w drodze poślizgu oraz bliźniakowania.
Odkształcenie przez poślizg: polega na tym że pod wpływem sił zew. następuje przesunięcie względem siebie części kryształu wzdłuż określonych płaszczyzn krystalograficznych. Płaszczyzny te noszą nazwę płaszczyzn łatwego poślizgu. Wzajemne przesuwanie się części kryształu względem siebie powoduje pewne zniekształcenia sieci krystalicznej, co wpływa hamująco na ruch poślizgowy tak, że przerzuca się on z kolei na drugą płaszczyznę o tej samej orientacji krystalograficznej. W ten sposób tworzą się stopniowo nowe pł. poślizgu oddzielone nieodkształconymi warstwami krystalicznymi. Pł. łatwego poślizgu są płaszczyzny z najgęstszym ułożeniem atomów. Kierunek poślizgu w płaszczyźnie łatwego poślizgu jest zgodny z kierunkiem najgęstszego ułożenia atomów.
Odkształcenie plastyczne może zachodzić także za pomocą bliźniakowania. Tego rodzaju odkształcenie zachodzi szczególnie łatwo u metali krystalizujących w ukł. regularnym płasko centrowanym i heksagonalnym zwartym. Tworzenie się kryształów bliźniaczych polega na tym że część kryształów przejmuje położenie będące zwierciadlanym odbiciem pozostałej części kryształu. Przesunięcie poszczególnych warstw atomowych jest proporcjonalne do ich odległości od płaszczyzny bliźniaczej.
Zagęszczenie dyslokacji które powst. przy odkształceniu plastycznym powoduje że zdolność do przemieszczenia się dyslokacji maleje. W wyniku tego opór przeciwko odkształceniu stopniowo wzrasta. Aby je dalej kontynuować trzeba stosować coraz większe siły. Zjawisko to nosi nazwę umocnienia. W wyniku umocnienia wł. Wytrzymałościowe metali jak granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, twardość podwyższają się, natomiast wł. plastyczne jak wydłużenie, przewężenie i udarność ulegają obniżeniu . Równolegle z wł. mechanicznymi zmieniają się także wł. fizyczne i chemiczne metalu.
Zmiany w mikrostrukturze podczas nagrzewania materiału odkształconego. Mechanizm rekrystalizacji.
W zgniecionym metalu w wyniku przeróbki plastycznej poszczególne ziarna i bloki zostały odkształcone i rozbite na szereg drobniejszych odłamków. W wyniku tych zaburzeń w wew. Budowie występują naprężenia w sieci przestrzennej i metal znajdować się będzie w stanie równowagi nietrwałej. Dopiero po nagrzaniu w związku ze zwiększoną ruchliwością atomów skutki zgniotu zostają usunięte i metal odzyskuje prawidłową strukturę krystaliczną i odpowiednie własności. Całość zjawisk zachodzących podczas nagrzewania zgniecionego metalu można podzielić na następujące etapy: zdrowienie, poligonizacja, rekrystalizacja pierwotna, rozrost ziarn i rekrystalizacja wtórna. Przywrócenie zgniecionemu metalowi prawidłowej struktury krystalicznej oraz własności które posiadał on przed obróbką plastyczną następuje po nagrzaniu go powyżej pewnej temp. zwanej temp. rekrystalizacji. Przy tej temp. W miejsce odkształconych ziarn krystalicznych z zaburzoną siecią przestrzenną powst. nowe ziarna krystaliczne o prawidłowej strukturze sieciowej. Proces ten nazywany jest procesem rekrystalizacji. Kinetyka procesu rekrystalizacji polega na tworzeniu się zarodków i ich dalszym rozroście. Niekiedy w czasie nagrzewania po rekrystalizacji pierwotnej w temp. znacznie przewyższających temp. rekrystalizacji zachodzić może rekrystalizacja wtórna. Polega ona na szybkim rozroście niektórych ziarn kosztem ziarn drobnych
Wyżarzanie stali, cel i rodzaje.
Wyżarzanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu stali do określonej temp. Wygrzaniu w tej temp. I powolnym chłodzeniu. Zależnie od temp. Wygrzania sposobu studzenia i celu jaki chcemy osiągnąć. Rozróżnia się następujące rodzaje wyżarzania: ujednoradniające, zupełne, normalizujące, z przemianą izotermiczną, sferoidyzujące, rekrystalizujące, grafityzujące, odwęglające, przegrzewające.
Wyżarzanie ujednoradniające ma na celu usunięcie lub zmniejszenie niejednorodności w składzie chemicznym stali po krystalizacji na drodze dyfuzji.
Wyżarzanie zupełne ma na celu rozdrobnienie ziarna stali, uzyskanie jednorodności struktury oraz usuniecie naprężeń.
Wyżarzanie normalizujące celem tego zabiegu jest uzyskanie jednolitej drobnoziarnistej struktury i związane z tym polepszenie wł. plastycznych oraz usunięcie naprężeń wewnętrznych.
Wyżarzanie z przemianą izotermiczną: ma na celu obniżenie twardości i polepszenie obrabialności.
Wyżarzanie sferoidyzujące: ma na celu koagulację węglików przez co uzyskuje się najmiększą i najbardziej plastyczną strukturę jaką dla danej stali można osiągnąć.
Wyżarzanie rekrystalizujące: stosuje się dla materiału uprzednio poddanego przeróbce plastycznej na zimno i ma na celu usunięcie skutków zgniotu.
Wyżarzanie odprężające: ma na celu zmniejszenie naprężeń własnych elementów stalowych powst. w procesach technologicznych
Wyżarzanie grafityzujące ma na celu rozkład cementytu na grafit i austenit jeżeli temp. Procesu leży powyżej Ac1 lub na grafit i ferryt jeżeli temp. procesu leży poniżej Ac1.
Wyżarzanie odwęglające ma na celu wypalenie węgla z pow. elementu np. w celu uzyskania białego żeliwa ciągliwego lub przy produkcji blach transformatorowych.
Wyżarzanie przegrzewające ma na celu uzyskanie gruboziarnistej struktury, np. w celu polepszenia obrabialności stali
Hartowanie i hartowność stali. Mechanizm przemiany martenzytycznej. Austenit resztkowy.
Hartowanie jest to... Wysokość temp. Nagrzania przy hartowaniu zależy od składu chemicznego stali a zwłaszcza od zawartości węgla. Nagrzanie stali podeutektoidalnej powyżej temp. Ac3 jest konieczne dla uzyskania jednorodnej struktury austenitycznej. Stale nadeutektoidalne nagrzewa się przy hartowaniu powyżej Ac1 i to niezależnie od zawartości węgla. Szybkie chłodzenie przy hartowaniu ma na celu przechłodzenie austenitu do zakresu temperatur przemiany martenzytycznej, w którym to zakresie austenit przemienia się na martenzyt. Zastosowana szybkość chłodzenia musi być większa od szybkości krytycznej dla danego gatunku stali.
Hartowność stali jest to zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej podczas hartowania. Określa się ją na podst. Pomiaru grubości warstwy martenzytycznej na przekroju hartowanego przedmiotu. Na hartowność stali wpływają następujące ważniejsze czynniki: skład chemiczny stali, dodatek tzw intensyfikatorów, wielkość ziarna austenitu, jednorodność ziarn austenitu, nierozpuszczone cząstki. W celu określenia hartowności stali stosowane są następujące metody:
Badanie hartowności na przełomie - polega ona na obserwacji przełomu zahartowanej próbki. Na przełomie takim strefa zahartowana jest matowa i jedwabista i łatwo można ją odróżnić od niezahartowanego rdzenia, który ma budowę gruboziarnistą i jest błyszczący. Na tej drodze można ustalić grubość warstwy zahartowania.
Metoda Grossmanna - polega na hartowaniu w wodzie lub oleju cylindrycznym próbek o różnych średnicach. Próbki te następnie przecina się i dokonuje pomiaru twardości na ich poprzecznym przekroju wzdłuż średnicy.
Próba chłodzenia czołowego - polega ona na tym że cylindryczną próbkę nagrzewa się do temp. Hartowania a następnie chłodzi w specjalnym przyrządzie. Po ostygnięciu i wyjęciu z urządzenia hartowniczego, próbkę szlifuje się wzdłuż dwuprzeciwległych tworzących a na oszlifowanych powierzchniach dokonuje się pomiaru twardości aparatem Rockwella.
Przemiana martenzytyczna zachodzi po przechłodzeniu austenitu poniżej temp. Oznaczonej symbolem Ms, która nosi nazwę temp. Początku przemiany martenzytycznej. Rozpoczyna się ona natychmiast bez występowania okresu inkubacyjnego i polega na powstawaniu coraz to nowych kryształów. Pierwsze płytki martenzytu przebiegają przez całe ziarno austenitu nie przekraczając jednak ich granic. Następnie płytki powstają równolegle do nich lub nachylone pod kątem 60 i 120O. Wielkość płytek martenzytu zależy od wielkości ziarna austenitu z którego powstają. Przemiana ta przebiega w warunkach ciągłego chłodzenia.
Przemiany przy odpuszczaniu stali.
Martenzyt jest fazą nietrwałą, jednakże w zakresie poniżej 80st nie stwierdza się zmian w strukturze zahartowanej stali. Dopiero nagrzanie do wyższych temp. Ułatwia przebieg przemian zachodzących w martenzycie, proces ten nosi nazwę odpuszczanie. Przemiany zachodzące podczas nagrzewania martenzytu można podzielić na cztery zasadnicze etapy. W zakresie 80-200st zachodzi pierwsze stadium przemiany martenzytu, polegające na wydzieleniu się z przesyconego roztworu węglika żelaza. To początkowe wydzielanie się węglików z martenzytu przebiega bardziej intensywnie w stalach wysokowęglowych niż niskowęglowych. Przy nagrzaniu martenzytu do 200-300st następuje drugie stadium jego przemiany polegające na dalszym wydzielaniu się z roztworu węglika skutkiem czego zawartość węgla w martenzycie obniża się do około 0,15% przy 300st. Równocześnie zachodzi dyfuzyjny rozkład austenitu szczątkowego na strukturę o charakterze bainitycznej. W wyniku procesów zachodzących w tym zakresie temp. Otrzymuje się mieszaninę ferrytu nieznacznie przesyconego węglem. Podczas trzeciego etapu przemian zachodzących w odpuszczanym martenzycie w zakresie 300-400st następuje całkowite wydzielenie węgla z roztworu, zaś wydzielone węgliki ulegają przemianie na cementyt. W tym etapie zostaje więc osiągnięty stan równowagi a otrzymana struktura jest mieszaniną ferrytu i cementytu. W zakresie 400-650st przebiega czwarte stadium przemiany w którym zachodzi koagulacja cząstek cementytu wzrastające ze wzrostem temperatury. Struktura otrzymana przy odpuszczaniu martenzytu w tym zakresie temperatur będąca mieszaniną ferrytu i cementytu nosi nazwę sorbitu. Cząsteczki cementytu w sorbicie są tym większe im wyższa jest temperatura odpuszczania i czas wygrzania przy tej temp. W tym etapie przemian przy odpuszczaniu następuje całkowite usunięcie naprężeń.
Nawęglanie i azotowanie.
Nawęglanie polega na nasyceniu powierzchni elementów stalowych węglem w celu uzyskania twardej i odpornej na ścieranie warstwy powierzchniowej przy zachowaniu ciągliwego rdzenia. Najsilniej nawęglona warstwa zewnętrzna o strukturze odpowiadającej stali nadeutektoidalnej składa się z cementytu siatkowego na tle perlitu, pod nią występuje warstwa perlityczna, a następnie strefa perlityczno ferrytyczna, przy czym im bliżej rdzenia tym więcej jest ferrytu a mniej perlitu. Maksymalna zawartość węgla w strefie zewnętrznej nie powinna przekraczać 1-1,2%. W zależności od rodzaju ośrodka, w którym przeprowadza się wygrzewanie rozróżnia się nawęglanie w proszkach z zastosowaniem stałych ośrodków nawęglających i nawęglanie gazowe w gazowych ośrodkach nawęglających. W charakterze stałych ośrodków nawęglających stosowane są proszki będące mieszaniną węgla drzewnego oraz środków przyśpieszających nawęglanie.
Technologia nawęglania w proszkach. Przedmioty przeznaczone do nawęglania powinny mieć czystą metaliczną powierzchnię, dlatego też przed nawęglaniem należy je oczyścić z brudu, oleju, zgorzeliny itp. Następnie przedmioty umieszcza się w skrzynkach i obsypuje się je dokładnie karboryzatorem. Skrzynki te po zamknięciu i uszczelnieniu linką ogniotrwałą ładuje się do pieca i następnie podgrzewa do 700st Następnie skrzynki stygną do ok. 500st wraz z piecem a następnie na powierzchni, poczym następuje otwarcie skrzynek i wyjęcie nawęglonych elementów.
Nawęglanie gazowe polega na wygrzewaniu elementów w atmosferze gazów nawęglających. Głównymi składnikami gazów nawęglających są: tlenek węgla, węglowodory nasycone i nienasycone. Temp. Nawęglania gazowego wynosi ok. 950st co ma na celu pełniejszy rozkład metalu. Nawęglanie gazowe przeprowadza się w piecach posiadających hermetyczną komorę wraz z odpowiednim urządzeniem zapewniającym odpowiedni obieg gazów nawęglających.
Azotowaniem nazywamy proces powierzchniowego nasycenia stali lub żeliwa azotem. Rozróżnia się azotowanie utwardzające i antykorozyjne. Azotowanie utwardzające stosowane dla stali stopowych ma na celu podwyższenie powierzchniowych własności mechanicznych a głównie twardości, natomiast azotowanie antykorozyjne stosuje się zarówno dla stali węglowych jak i stopowych w celu podwyższenia odporności na korozję. Do azotowania konieczna jest obecność azotu atomowego. W tym celu stosuje się amoniak gazowy który przy temp. Azotowania rozkłada się w wg reakcji
2NH3→6H+2N
Do azotowania stosuje się stale stopowe zawierające dodatki aluminium, tytanu, wanadu, molibdenu i chromu. Składniki te tworzą z azotem związki zwane azotkami, które odznaczają się dużą trwałością oraz wysoką twardością i dużym stopniem dyspersji. Warstwa azotowana odznacza się wysoką twardością, odpornością na ścieranie. Jest odporna na działanie temp. Do ok. 500st, posiada zwiększoną wytrzymałość zmęczeniową. Azotowanie przeprowadza się w piecach elektrycznych w szczelnej komorze wykonanej ze stali żaroodpornej do której doprowadza się amoniak z butli. Po odpowiednio długim wygrzaniu azotowane elementy studzi się wolno. Azotowanie stosuje się głównie w budowie silników samochodowych i lotniczych.