1. Obróbka cieplna - Obróbka cieplna jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących polepszenie własności mechanicznych i fizyczno-chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania ośrodka. Rodzaje obrobki plastycznej - Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej: obróbkę cieplną zwykłą, obróbkę cieplno-mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno-plastyczną), obróbkę cieplno-chemiczną, obróbkę cieplno-magnetyczną. Operacja obrobki plastycznej - część procesu technologicznego, wykonywana w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym. Częściami operacji obrobki plastycznej są zabiegi obrobki cieplnej: a) grzanie - proces polegający na doprowadzaniu ciepła w ciągu założonego czasu w celu uzyskania określonej temperatury przez cala masę nagrzewanego przedmiotu. Grzanie składa się z: I) nagrzewania - ciągle lub stopniowe podwyższanie temp elementu obrabianego cieplnie; II) wygrzewanie - polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temp; szybkość nagrzewania może być bardzo zróżnicowana i jest zależna od: przewodności cieplnej, kształtu, wymiarów i masy przedmiotu; rodzaju ośrodka nagrzewającego; różnicy temperatury miedzy piecem a nagrzewanym przedmiotem; temp. nagrzewania; mocy pieca i innych czynników; najczęściej stosuje się powolne nagrzewania wsadu z piecem; przyspieszone nagrzewanie wsadu w piecu o temp. obróbki cieplnej; szybkie nagrzewanie wsadu w piecu o temp. początkowej wyższej od temp. obrobki cieplnej; grzanie musi zapewnic uzyskanie jednakowej temp. w calym przekroju obrabianego przedmiotu; b) chłodzenie - zabieg obrobki cieplnej zachodzący w wyniku odprowadzania ciepla przez osrodek chłodzący, którego zadaniem jest obniżenie temp. całego przedmiotu obrabianego cieplnie do wymaganej wartości. Rodzaje chlodzenia: I) studzenie - chłodzenie z małą szybkością; II) oziębianie - chłodzenie z dużą szybkością; III) wychładzanie - wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w pośredniej lub docelowej temp podczas chłodzenia; szybkość chlodzenia jest zalezna od wielu czynnikow: od kształtu, wymiarow i masy przedmiotu; temp. nagrzewania; sposobu chlodzenia; rodzaju i właściwości osrodka chłodzącego; chlodzenie musi odbywac się z szybkością zapewniajaca prawidłowy przebieg określonych przemian fazowych;2. Hartowność - podatność stali na hartowanie, zwane hartownością, jest wyrażane zależnością przyrostu twardości w wyniku hartowania od warunkow austenityzowania i szybkości chlodzenia. O hartowności stali współdecydują: utwardzalność i przehartwalnosc; a)utwardzalności to podatność stali na hartowanie, miara której jest zależność największej (możliwej do uzyskania po hartowaniu) twardości warunkow austenityzowania. Utwardzalność jest uzalezniona od warunkow austenityzowania oraz stężenia wegla w austenicie. B) przez przehartowalnosc rozumie się podatność stali na hartowania jako zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chlodzenia. Na przehartowalnosc w sposób znaczący wpływają stężenia wegla i pierwiastkow stopowych w roztworze stalym podczas austenityzowania, stopien jednorodności austenitu oraz wielkość jego ziarn.
Krytyczna szybkość chłodzenia - najmniej sza szybkość chłodzenia, przy której uzyskamy jeszcze strukturę całkowicie martenzytyczną. Im mniejsza jest szybkość krytyczna tym większa jest hartowność stali. Każda większa od krytycznej dająca też martenzyt nazywa się nadkrytyczną, a każda mniejsza podkrytyczną. Średnica krytyczna to taka średnica materiału, przy której w rdzeniu otrzymujemy strukturę 50% martenzytyczną. Im materiał ma mniejszą szybkość krytyczną, tym średnica materiału jest większa. Na szybkość krytyczna chłodzenia(średnice krytyczna) wpłvwaia dwa czynniki:- zawartość węgla i składników stopowych w austenicie(węgiel i dodatki stopowe, z wyjątkiem kobaltu, zwiększają hartowność)- wielkość ziarna austenitu przed rozpoczęciem chłodzenia(im większe ziarno, tym mniejsza hartowność i większa szybkość chłodzenia)1. miary hartowności. I - miara przehartowalnosci stali jest krytyczna szybkość hartowania lub srednica krytyczna Dn, tj. srednica preta w którym po zahartowaniu w osrodku o określonej intesywnosci chlodzenia w osi przekroju poprzecznego obrabianego elementu uzyskuje się strukture zlozona z co najmniej n% martenzytu. II) wartość średnicy krytycznej zalezy od zdolności chłodzącej osrodka oziebijacego, której miara jest współczynnik intesywnosci chlodzenia. Współczynnik ten okresla wzgledna zdolność chlodzenia osrodka w porównaniu z woda dla której przyjmuje wartość 1. wielkość ta może zmieniac swa wartość od 0 dla osrodka który jest idealnym izolatorem do ∞ - idealny osrodek chłodzący. Wartość współczynnika zalezy także w duzym stopniu od intesywnosci ruchu przedmiotu względem osrdoka chłodzącego. III) metoda jominyego - najpowszechniej stosowana metoda określania hartowności stali od czoła. Metoda ta polega na oziębianiu strumieniem wody, czolowej powierzchni probki walcowej o średnicy 25mm i długości 100mm, po austenityzowaniu w warunkach zalecanych dla danego gatunku stali. Na probkach zahartowanych w tych warunkach wykonuje się proby twardości wzdłuż zeszlifowanej tworzącej probki w odległości co 2mm, poczynając od czola probki. Nastepnie sporzadza się wykres twardości w funkcji odległości od czola probki, zwany krzywa hartowności. Proba ta może być stosowana dla stali o średniej hartowności a w przypadku uzycia odpowiednio zmodyfikowanych ksztalatach, także dla stali o malej i dużej hartwnosci. IV) wystepuje również jeszcze metoda krzywych u ale jest ona o wiele bardziej pracochlonna od metody J. 3. Hartowanie objętościowe - austenityzowanie obejmuje cala objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubosc warstwy zahartowanej zalezy wyłącznie od właściwości materialu i szybkości chlodzenia. Ze względu na rodzaj uzyskiwanej struktury hartowanie objętościowe można podzielic na a) martezytyczne - polega na nagrzaniu stali do temp. austenityzowania, wygrzaniu w tej temp i oziębieniu z szybkością wieksza od krytycznej; b) bainityczne - polega na nagrzaniu stali do temp. austenityzowania, wygrzaniu w tej temp. i oziębieniu z szybkością mniejsza od krytycznej lub z wygrzaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany bainitycznej. 4. Hartowanie M. Ciagle - chlodzenie z temp. austenityzowania wykonuje się w sposób ciągły z szybkością wieksza od krytycznej, do temp. niższej od MS, a w przypadku wielu stali np. konstrukcyjnych, niższej od Mf. Stale niestopowe chlodzi się w wodzie, natomiast stale stopowe mogą być chlodzone wolniej np. w oleju, czasami w powietrzu. Osrodek chłodzący musi być tak dobrany (wybieramy z wykresu CTPc) by możliwe było ochłodzenie z szybkością wieksza od krytycznej nie tylko powierzchni lecz również srodka przekroju hartowanego elementu. Struktura stali po hartowaniu: martenzyt z austenitem szczatkowym oraz innymi składnikami strukturalnymi które nie ulegaja przemianom podczas obrobki cieplnej. Zahartowane stale charakteryzuja się bardzo duza twardością - powyżej 60/65 HRC w zależności od stężenia węgla; wysokimi pozostałymi właściwością wytrzymałościowymi; niskimi właściwościami plastycznymi i duza kruchością;
5. hartowanie M stopniowe - podczas hartowania Mart. Stopniowego chlodzenia polega na oziębianiu w stopionej soli lub goracym oleju do temp. wyższej o 30-50 stopni od temp. MS; wytrzymaniu w stopionej soli lub goracym oleju o tej temp. w czasie niezbędnym do wyrównania temp. w calym przekroju obrabianego przedmiotu lecz zapewnijacym trwałość austenitu przechlodzonego; studzeniu zazwyczaj w powietrzu do temp. otoczenia. Struktura stali po hartowaniu stopniowym - taka sama po operacji martenzytycznego zwykłego przy znacznie mniejszych naprężeniach i odszktalceniach cieplnych i strukturalnych; 6. Hartowanie bainityczne zwykłe charakteryzuje się chłodzeniem ciągłym z szybkością mniejszą od krytycznej - taką, by mogła przebiegać przemiana bainityczna. Celem operacji jest uzyskanie struktury bainitu, ewentualnie z martenzytem, oraz austenitu szczątkowego. W ten sposób uzyskuje się większe własności plastyczne i większą udarność stali niż po hartowaniu martenzytycznym i wysokim odpuszczaniu. Większa jest również odporność stali na zmęczenie, niższa jednak granica sprężystości i plastyczności.7. Bainityczne izotermiczne - chlodzenie jest wielozabiegowe a na kolejnym: oziębianiu austenitu, przechlodzonego do temp. niższej od temp. przemiany perlitycznej; wytrzymaniu izotermicznym w kapieli chłodzącej lub innym osrodku o temp. wyższej od temp. MS czyli 250-400 stopni C, w czasie zapewniającym zakończenie przemiany bainitycznej; chlodzeniu do temp. pokojowe z dowolna szybkością, zwykle w spokojnym powietrzu. Struktura stali po hartowaniu: struktura bainityczna, dodatkowo znacznie ograniczone naprężenia cieplne i strukturalne oraz zmniejszona możliwość powstania pęknięć i odkształceń; 8. odpuszczanie - polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej.W zależności od temperatury odpuszczanie może być: a) niskie (odprężające) jest wykonywane w temperaturze 150÷200°C i stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie. b) Odpuszczanie średnie, odbywające się w temperaturze 250÷500°C, jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość; c) Odpuszczanie wysokie, wykonywane w temperaturze wyższej od 500°C, lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznych stali. Stosowane jest między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności Re; 9. Struktury stali odpuszczonych: a) niskie - struktura martenzytu niskoodpuszczonego, który w stalach weglowych jest mieszanina martenzytu tetragonalnego z dyspersyjnymi weglikami typu ε oraz austenitu szczatkowego; b) srednie - martenzyt srednioodpuszczony, cechuje się malym odkształceniem tetragonalnym oraz dyspersyjnymi wydzieleniami cementytu; c) wysokie - martenyt wysokoodpuszczony, nie jest przesycony weglem; występują w nim natomiast wydzielenia cementytu w dużej mierze skoagulowane; w stalach stopowych wydzielaja się wegliki stopowe, ulegajace również koagulacji w wyższej temp. odpuszczania; w strukturze stali stopowych nie ma już austenitu szczatkowego lub jego udzial jest niewielki; 10. utwardzanie cieplne - polaczenie operacji hartowania i niskiego odpuszczania; ulepszanie cieplne - polaczenie operacji hartowania i wysokiego odpuszczania;
17. izotermiczne - Wyżarzanie izotermiczne, będące odmianą wyżarzania zupełnego, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim ochłodzeniu do temperatury nieco niższej od Ac1, wytrzymaniu izotermicznym w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej i następnym chłodzeniu w powietrzu. Wyżarzanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej stali stopowych, które po wyżarzaniu zupełnym wykazują zbyt dużą twardość. Odmianą wyżarzania izotermicznego jest patentowanie drutów lub taśm, polegające na wygrzewaniu w temperaturze 900÷1100°C, chłodzeniu izotermicznym w 500÷550°C i następnie obróbce plastycznej na zimno.11. Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali do temperatury 1050÷1200°C o ok. 100÷200°C niższej od temperatury solidusu, wygrzaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury i następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją. 12. Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno. 13. Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych. Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest szeroki; parametry te zależą od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia. W przypadku odlewów staliwnych temperatura może wynosić ok. 650°C. W temperaturze do 150°C jest wykonywane odprężanie stabilizujące, które ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Odprężanie samorzutne - tzw. sezonowanie - zachodzi w temperaturze pokojowej, w czasie wynoszącym kilka lub kilkanaście miesięcy, a niekiedy nawet kilka lat. 14. Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali. Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną - w celu ujednolicenia struktury. 15. Wyżarzanie zupełne, stosowane do stali stopowych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3, Accm (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np. z piecem, w zakresie temperatury między Ac3 i Accm a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu. 16. Wyżarzanie stabilizujące, polega na doprowadzeniu elementu do temperatury 150°C, wygrzewaniu w tej temperaturze i powolnym schłodzeniu. Jest to proces podobny do odpuszczania niskiego, z tą różnicą, że w tym przypadku wyżarzania stosuje się do niwelowania naprężeń odlewniczych. Wyżarzanie stabilizujące można zastosować przy odlewach narzędzi.
17. Wyżarzanie sferoidyzujące, zwane także zmiękczaniem, polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, bardzo wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600°C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco wyższej lub nieco niższej od temperatury Ac1 (przy zmianach temperatury w zakresie } 20°C wokół Ac1), a także z wytrzymaniem izotermicznym poniżej temperatury Ac1, po uprzednim krótkim wygrzewaniu w temperaturze wyższej od Ac1. W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego strukturę stali stanowi cementyt kulkowy, tzw. sferoidyt, w osnowie ferrytu. Struktura taka zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne;1.Przemiana bainityczna - przebiega przez stadium zarodkowania heterogenicznego i wzrostu, a faza kierujaca jest ferryt. Duze przechlodzenie ogranicza szybkość dyfuzji w stopniu wpływającym na przebieg przemiany. Uprzywilejowanym miejscem zarodkowania ferrytu SA granice ziaren austeniut. W wyniku przemiany alotropowej γ -> α tworza się cienkie plytki ferrytu znacznie przesycone weglem. Dzieki dyfuzji wegla w otoczeniu plytek ferrytu tworza się wydzielenia cementytu o kształcie plytek lub kulek. W miare postepu przemiany plytki ferrytu rosna i powieksza się ilość wydzielonego cementytu. Przemiana bainityczna zwłaszcza w niższych temp nie przebiega całkowicie. Nieznaczna ilość przechlodzonego austenitu pozostaje na stale w strukturze stali jako austenit szczatkowy. Produktem przemiany jest w zasadzie struktura plytkowa, stanowiaca mieszanine czesciowo przesyconego weglem ferrytu i cementytu. Jej wyglad i twardosc zmieniaja się zaleznie od temp. przemiany. Przy mniejszych przechodzeniach powstaje bainit gorny czyli pierzasty o wygladzie ciemnych pierzastych Igiel. Bainit gorny jest wiekszy, wegliki występują na granicach ziaren, powstaje w wyższych temp. przy większych przechodzeniach powstaje bainit dolny iglasty o wygladzie jasniejszych, ostro zarysowanych Igiel. Przemiana ma charakter przejściowy, jest dyfuzyjna ale ma również pewne cechy przemiany martenzytycznej. Przemian bainityczna - zachodzi przy przechlodzeniu stali do 450-200 st. C; bainit: mieszanina ferrytu przesyconego weglem i drobnodysperysyjnych węglików; zarodkowanie rozpoczyna dyfuzja wegla w austenicie do granic ziaren i dyslokacji; zarodkami są miejsca ubogie w wegiel; wymagany czas inkubacji; rownoczescna przemiana martenzytyczna w obszarach o malym stężeniu wegla i wysokiej MS oraz wydzielanie drobnych czastek cementytu rozrost bainitu kontrolowany szybkością dyfuzji wegla w austenicie; 2. przemiana martenzytyczna - warunkiem wywołującym przemiane jest chlodzenie stali z szybkością wieksza od krytycznej. Przemiana austenitu w martenzyt zachodzi poniżej określonej dla danej stali temp., oznaczonej zwykle symbolem Ms. Temp. konca przemiany martenzytycznej ozaczona jest przez Mf. W przypadku stali weglowych temp Ms i Mf obniżają się wraz ze wzrostem zawartości Weigla i składników stopowych, tak ze przy większej zawartości temp Mf może być nizsza od 0st.C i wobec tego przemiana martenytyczna zachodzi tylko czesciowo. W takim przypadku w strukturze pozostaje pewna ilość austenitu szczatkowego. Ze względu na niska temp. procesu przemiana marten. Jest przemiana bezdyfuzyjna. W jej wyniku nastepuje przebudowa sieci szescienn zwartej(regularnej sciennie centrowanej) austenitu na siec szczescienna centrowana (regularna przestrzennie centrowana) żelaza alfa bez dyfuzji umożliwiające wydzielanie wegla. Martenyt w stalach weglowych jest wiec przesyconym roztworem stalym wegla w zelazie alfa. Wtracony międzyatomowo wegiel znieksztalca strukture żelaza alfa tak, ze po przemianie martenzyt ma siec tetragonalna Martenzyt ma strukture iglasta (sklada się z plytek przesyconego weglem ferrytu);
Przemiana bezdyfuzyjna przy dużym przechłodzeniu austenitu z szybkością większą od krytycznej. Martenzyt -przesycony roztwór węgla w żelazie alfa. Warunek przemiany -ciągłe obniżanie temperatury w zakresie Ms do Mf. Wartości Ms i Mf zależą od składu chemicznego austenitu. Początek przemiany: utworzenie w austenicie embrionów (błędy ułożenia, źródła Franka-Reada, pętle dyslokacji), przemiana w zarodki i autokataliza. Podczas przemiany następuje skoordynowane przemieszczenie atomów bez zmiany sąsiadujących atomów. Wynik -charakterystyczny relief. Granice ziaren martenzytu położone są wzdłuż nieodkształconej płaszczyzny austenitu habitus. Przebieg przemiany martenzytycznej: Atermicznie w czasie 10-7 s; Wybuchowo poniżej 0 C; Izotermicznie dla niskiej Ms i niskiej szybkości zarodkowania martenzytu. 3. Przemiana perlityczna - przebiega poprzez zarodkowanie i wzrost nowej fazy. Rozpoczyna ja pojawienie się w austenicie zarodkow krystalizacji cementytu. Uprzywilejowanym miejscem zarodkowania SA granice ziaren i nierozpuszczone drobne czastki cementytu lub innych faz. Zarodek cementytu rozrasta się dzieki dyfundującym do niego atomom wegla. Austenit w jego otoczeniu ubozeje w wegiel i podlega przemianie γ ->α tworząc ferryt, z którego nadmiar wegla dyfunduje do otaczającego austenitu co powoduje tworzenie się nowych zarodkow cementytu. W rezultacie z ziarna austenitu powstaje kilka roznie zorientowanych zbiorow równoległych plytek ferrytu i cementytu tworzących ziarno perlitu. Przemiana ustaje po całkowitym wyczerpaniu się austenitu. Produktem przemiany perlitycznej jest plytkowa mieszanina ferrytu i cementytu; Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej tem Ar1; perlit - mieszanina eutektoidalna zlozona z plytek ferrytu oraz cementytu; przemiana dyfuzyjna zwiazana z przegrupowaniem atomow wegla, zacodzaca przez zarodkowanie i wzrost zarodkow; zarodkowanie heterogeniczne na czastkach cementytu, plytkach ferrytu a w austenicie na granicach jego ziarn; kolejno tworzenie plytek cementytu i ferrytu; morfologia perlitu - utworzone kolonie perlitu maja kształt kulisty; grubosc plytek cementytu jest siedmiokrotnie mniejsza od grubości plytek ferrytu; grubości plytek są prawie stale w stalej temp i nie zaleza od wielkości ziarna; obnizaniu temp. towarzyszy zmniejszanie się odległości miedzy plytkami; 4. Wykresy CTP - są rzeczywistym odbiciem przemian zachodzących w stanach przy chłodzeniu ciągłym lub izotermicznym. Na ich podstawie można przewidywać: skłonność austenitu do przemiany dyfuzyjnej, Konieczną szybkość do zahartowania, Strukturę jaka powstanie po określonej przemianie w danej temp. CTP- zależność struktury i własności od szybkości chłodzenia materiału. Wykresy te otrzymuje się w wyniku chłodzenia próbek danej stali z różnymi szybkościami rejestrowania punktów początku i końca przemian(np. metodą dylatacyjną). W temp. otoczenia badane są własności próbek (najczęściej twardość). Wyniki te nanosi się na wykres. Tak skonstruowany wykres nosi nazwę CTPc( ciągłe).Dość zbliżony wykres można otrzymać przez kontrolowane szybkie chłodzenie próbek do określonych tem_. i wytrzymywanie izotermiczne. Otrzymywany z badań izotermicznych zbiór punktów początków i końca przemian nanosi się na wykres, zwany CTPi. Po schłodzeniu do temp. otoczenia mierzona jest twardość nanoszona na wykres CTPi.
5. struktury: a)perlit - jest eutektoidalną mieszaniną dwóch faz: ferrytu i cementytu zawierająca 0,8% węgla i tworząca się w temperaturze 723°C zgodnie z przemianą γ=α+Fe3C. Dla ścisłości należy dodać, że przy ochładzaniu perlitu od temp 723°C do temp otoczenia. Swoją nazwę zawdzięcza perlistemu odcieniowi jaki posiada wypolerowany przekrój tej mieszaniny. Ma budowę ziarnistą. Złożony z płytek ferrytu i cementytu ułożonych na przemian. Stosunek grubości płytek ferrytu do płytek cementytu wynosi 7:1; Perlit jest składnikiem strukturalnym stali i surówek podeutektoidalnych białych i surówek szarych perlitycznych. Dyspersja perlitu jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości przechłodzenia względem temperatury A1. b) ledeburyt - jest eutektyką o zawartości 4,3% C tworząca się z roztworu ciekłego αc w temperaturze 1147°C zgodnie z przemianą: αc ->(γ+Fe3C). W temp powstania ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną dwóch faz austenitu(zawierającego 2,06% C) i cementytu. jest składnikiem strukturalnym surówek białych. Cechuje go dość znaczna twardość i kruchość; c) ledeburyt przemieniony - w temp 723°C austenit przemienia się w perlit i przy dolnym obniżeniu temperatury z ferrytu zawartego w perlicie wydziela się niewielka ilość cementytu trzeciorzędowego. W związku z tym, że poniżej temp 723°C ledeburyt stanowi już mieszaninę perlitu i cementytu, struktura ta nosi nazwę ledeburytu przemienionego. 6. FAZY: 1) FERRYT - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie α. Oznaczamy go symbolem α. Graniczna zawartość węgla w ferrycie w stanie równowagi w temp 20°C wynosi 0,008% i wzrasta w temperaturze 723°C do 0,02%. Natomiast w ferrycie wysokotemperaturowym może zawierać w temperaturze 1493°C do 0,1% C. Właściwości fizyczne i mechaniczne ferrytu są zbliżone do właściwości żelaza; jest roztworem stałym międzywęzłowym węgla w żelazie α . Powstaje przez wchodzenie atomów węgla do luk tetraedrycznych. Rozpuszczalność węgla nie przekracza 0,002%. Ferryt jako oddzielny składnik strukturalny występuje w stalach podeutektoidalnych - tzw. ferryt podeutektoidalny, ale również wchodzi w skład perlitu i ledeburytu przemienionego. Ze względu na małą zawartość węgla własności ferrytu niewiele różnią się od własności czystego żelaza α i tak Rm=ok.300MPa, 80 HB, A10=40%, KC= ok.180J/cm². Ferryt δ jest również roztworem stałym węgla w wysokotemperaturowej odmianie żelaza α. Wykazuje on większą rozpuszczalność węgla niż ferryt α, ma również większy parametr sieci niż ferryt α..; 2) AUSTENIT - jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie γ i oznaczamy literą γ(gamma). Graniczna zawartość węgla w austenicie w temperaturze 1147°C wynosi 2,11%. W stopach żelaznych z węglem w stanie równowagi austenit występuje jedynie w temperaturach wyższych od 723°C. Faza miękka i plastyczna. W próbie rozciągania odkształca się równomiernie. Na zgładach metalograficznych występuje jako składnik z charakterystycznymi, prostoliniowymi granicami bliźniaczymi.
CEMENTYT - węglik żelaza, jest fazą między metaliczną o złożonej strukturze krystalizującej o układzie rombowym. Stosunek liczby atomów żelaza do atomów węgla wynosi 3:1 (Fe3C) co odpowiada wagowej zawartości węgla 6,67%. W temperaturze do 210°C cementyt jest ferromagnetycznym powyżej tej temperatury jest paramagnetyczny . Gęstość cementytu wynosi 6,7 g/cm3. Jest on fazą bardzo twardą (HB ok. 800) i kruchą. Wymienione wcześniej, występujące w stanie stałym, składniki fazowe układzie żelazo cementyt mogą tworzyć samodzielnie strukturę stopu lub wchodzić w skład składników strukturalnych, które charakteryzują się określoną morfologią.
Biorąc pod uwagę właściwości morfologiczne rozróżniamy zatem cementyt pierwotny, krystalizujący bezpośrednio z cieczy i występujący głównie w postaci dużych igieł. Inną odmianą morfologiczną jest cementyt wtórny, wydzielający się z austenitu, w zakresie temperatur 1147 - 723 oC, w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w tej fazie. Ma on zwykle morfologię siatki na granicach ziaren austenitu. Cementyt trzeciorzędowy wydziela się z ferrytu na skutek zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w zakresie temperatur 723 oC aż do temperatury pokojowej. Ma on zwykle morfologię sferoidalnych lub płytkowych wydzieleń w granicach ziaren ferrytu.
7. wykres: 0-0,006% - F; 0.006-0,036 - F+CIII; 0,036-0,8 - F+P; 0,8 - p.eutektoidalny P; 0,8-2,1 - P+CII; 2,1-4,3 - P+Lp+CII; 4,3 - eutektyka - Lp; 4,3-6,67 - CI + Lp; 8. Wpływ wegla na własności stali weglowych - Stopy żelaza z węglem mają ogromne znaczenie w technice. Podział ich wiąże się z zawartością węgla. A) Stopy o zawartości węgla do 0,008% (praktycznie do 0,05% C) określane są mianem żelaza technicznego. B) Stopy o zawartości 0,008 do 2% C (praktycznie 0,05 - 1,5% C), w stanie po odlaniu zwane są staliwami. Dominujący wpływ na strukture i własności stali weglowych wywiera wegiel. W miare podwyższania stężenia tego pierwiastka w stali zmniejszeniu ulega udzial miękkiego i plastycznego ferrytu w strukturze stali, a zwiekszeniu - udzial twardego i kruchego cementytu. Z tego względu stalo o większym stężeniu wegla wykazuja wieksza twardosc, wytrzymałość na rozciaganie i granice plastyczności. Zwiekszenie stężenia wegla powoduje przy tym jednoczesne zmniejszenie własności plastycznych i ciągliwości stali a w szczególności wydłużenia i przewężenia określanych w probie rozciagania, oraz pracy lamania(udarności) określonej w probie zginania udarowego. Stezenie wegla decyduje również o własnościach technologicznych stali. Przy większym stężeniu wegla stal cechuje się większym współczynnikiem liniowej rozszerzalności cieplnej i mniejsza przewodnością cieplna co zwieksza naprężenia cieplne i skłonność do pęknięć w trakcie obrobki cieplnej. Zwiekszone stezenie wegla pogarsza podatności stali na obróbkę plastyczna na zimno i goraco. Wegiel o stężeniu 0,25% zdecydowanie pogarsza również spawalność stali. Stale niskowęglowe o stężeniu wegla mniejszym od 0,25% ze względu na duza ciągliwość wykazuja gorsza skrawalność niż stale o strukturze perlitycznej. Stale nadeutektoidalne - ze względu na znaczny udzial kruchego i twardego cementytu, charakteryzuje również obnizona skrawalność. C) Stopy o zawartości węgla w zakresie od 2 do 6,67% (praktycznie 2 - 5% C) nazywamy żeliwami białymi. Żeliwa białe mają, ze względu na dużą twardość i kruchość niewielkie zastosowanie w technice. Właściwości te wynikają ze znacznej zawartości twardego i kruchego cementytu. Większe zastosowanie mają żeliwa szare, w których węgiel występuje głównie w postaci grafitu, a ilość cementytu jest nie większa niż 0,8%. Żeliwa szare, w zależności od zawartości węgla, mają osnowę metaliczną o strukturze ferrytycznej (mała zawartość węgla w postaci cementytu), ferrytyczno-perlitycznej (zawartość węgla w postaci cementyt mniejsza niż 0,8%), lub perlityczną (udział cementyt 0,8%). Żeliwa mają dobre właściwości tłumienia drgań, a ze względu na zawartość grafitu wykazują mały współczynnik tarcia. Żeliwa stosowane są zatem często na łoża obrabiarek, na panewki łożysk ślizgowych i szereg innych wyrobów. Elementy żeliwne wytwarza się metodą odlewania ciekłego stopu do form piaskowych.
1.faza-jest to jednorodna część układu oddzielona od innych jego części(faz) powierzchnią rozdziału, czyli granicą fazy, po przekroczeniu której właściwości fizyczne czy też struktura zmieniają się w sposób nieciągły; 2.granica plastyczności-naprężenie, przy którym zachodzi płynięcie materiału, czyli wzrost wydłużenia przy stałym działaniu obciążenia [Re=Fe/S0 ; Fe-siła obciążająca próbkę w granicy plastycznośc] 3.granica sprężystości-naprężenie, po przekroczeniu którego, powstają nieznaczne, rzędu 0,001-0,03% trwałe odkształcenia 4.Materiały amorficzne bezpostaciowe, odznaczają się chaotycznym, nieuporządkowanym, pozbawionym symetrii rozkładem przestrzennym cząstek materii. Cechuje je zmiana stanu skupienia(ciało stałe -> ciecz) przebiegająca przy ciągłej zmianie temperatury tj. bez wyraźnego zakresu temperaturowego przy obecności tylko jednej fazy oraz ciągłymi zmianami właściwości fizycznych. W budowie ciała amorficzne są zbliżone do cieczy, a nie do ciał stałych mimo, ze są ciałami stałymi. 5. materiały nanokrystaliczne - to polikryształy o bardzo małych ziarnach, których wielkość w jednym kierunku nie przekracza 100nm. Zbudowane są z takich samych atomów jak ich mikrokrystaliczne lub monokrystaliczne odpowiedniki. Ze względu na duże rozdrobnienie ziaren w monokryształach spotykamy się z dużą wytrzymałością. 6. materiały polikrystaliczne - metale techniczne i ich stopy mają strukturę polikrystaliczną tzn. składają się z dużej liczby kryształów zwanych ziarnami. Pojedyncze ziarna również nie mają idealnej budowy krystalicznej, lecz zawierają defekty punktowe, liniowe i powierzchniowe. Większość substancji występujących w przyrodzie ma charakter polikryształu, gdyż do wytworzenia monokryształu potrzebne są szczególne warunki. 7. moduł sprężystości: Prawo Hooke'a - podstawowe prawo rządzące sprężystością ciał. Jest to prawo doświadczalne podane przez Hooke'a już w roku 1675 i obowiązuje dla małych odkształceń. Prawo to mówi, ze stosunek naprężenia do związanego z nim odkształcenia jest wielkością stała dla danego materiału Є=Δl/l0 (Є-względny przyrost długości - zdefiniowany jako stosunek przyrostu długości do długości pierwotnej) Prawo Hooke'a przy wydłużeniach wyraża się wzorem: σ=E* Δl/l0 = E*Є, czyli E=σ/Є, gdzie σ-naprężenie, Є-względny przyrost długości, E-moduł sprężystości przy wydłużeniach zwany modułem Young'a. Jednostką modułu sprężystości jest Pascal[Pa], dla ułatwienia wyniki podajemy w GPa, natomiast gdy względny przyrost długości podany jest w mm to wynik podajemy w MPa; 8. napreżenie - jest to stosunek siły do powierzchni na jaką ta siła działa (sigma σ=F/A [N/mm2 = MN/m^2 = MPa; F-siła, A-pole powierzchni) nieuporządkowany w przestrzeniach międzywęzłowych sieci metalu rozpuszczalnika 9. roztwor stały różnowęzłowy - atomy metalu rozpuszczonego zajmują przypadkowo dowolne węzły w sieci krystalicznej metalu rozpuszczalnika; 10. Przewężenie-zmniejszenie przekroju próbki odmierzone do przekroju wyjściowego próbki wyrażone w procentach(Z=ΔS/S0 *100%); Materiały o małej zdolności do odkształcenia plastycznego, kruche, cechuje przewężenie od 0-10% natomiast cechą materiałów ciągliwych jest przewężenie rzędu 80-90% ; 11.Roztwór stały - stanowi jednorodną fazę o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o własnościach typowo metalicznych. Metal, którego atomy występują w sieci w przewadze, jest rozpuszczalnikiem. Drugi składnik jest nazywany pierwiastkiem rozpuszczonym. 12. Roztwór stały międzywęzłowy - atomy pierwiastka rozpuszczonego są usytuowane w sposób;
20. Wady struktur krystalicznej materiału: a) punktowe: * wakancja - jest defektem powstałym w wyniku nieobsadzenia węzła sieci przez atom. Wskutek tego sąsiednie atomy przesuwają się w kierunku pustego miejsca, co wywołuje zniekształcenie sieci i wytwarza pole naprężeń rozciągające. * atom miedzywezlowy - jest to defekt, który polega na tym, że w sieci zbudowanej z identycznych atomów lub o zbliżonych średnicach jeden z atomów osnowy znajduje się między węzłami sieci. Powoduje to przemieszczenie sąsiednich atomów z położeń równowagi na zewnątrz, wywołując pole naprężeń ściskających (a więc przeciwnie niż w przypadku wakancji). b)liniowe dyslokacje * dyslokacja krawedziowa - krawędź półpłaszczyzny sieciowej umieszczonej pomiędzy nieco rozsuniętymi płaszczyznami sieciowymi kryształu o budowie prawidłowej. Powoduje odkształcenie postaciowe i objętościowe. W zależności od położenia płaszczyzny krawędzi - dyslokacja dodatnia - gdy półpłaszczyzna leży przed płaszczyzną poślizgu oznaczamy ┴; dyslokacja ujemna - gdy półpłaszczyzna leży pod płaszczyzną poślizgu oznaczamy ┬. c) wady powierzchniowe - są to błędy ułożenia i granice międzyziarnowe i międzyfazowe; Dyslokacje mogą się przemieszczać przez poślizg albo wspinanie. Poślizg zachodzi w płaszczyźnie poślizgu, w kierunku wektora Burgersa i powoduje przesunięcie części kryształu względem drugiej cząstki . Poślizg zostaje zatrzymany np. na granicy bądź na przecięciu z inną linią dyslokacji. Wypinanie - wyrażane najczęściej wzrostem temperatury albo naprężeniem normalnym, ma charakter wolnego ruchu dyfuzyjnego; 19. Wady budowy krystalicznej - w istotny sposób wpływają na własności wytrzymałościowe i plastyczne metali. Obliczenia teoretyczne wskazują, że najlepszymi wlasnościami wytrzymałościowymi powinny cechować się metale o idealnej budowie krystalicznej, a ich wytrzymałość powinna przewyższać około 1000-krotnie wytrzymałość metali technicznych. Potwierdza to fakt, że bardzo duże własności uzyskują kryształy włoskowate tzw. wiskery to są monokryształy o jednej tylko dyslokacji śrubowej. Dążenie do ograniczenia wad budowy krystalicznej jest jednak technicznie bardzo trudne. Natomiast praktyczna metoda umacniania metali polega na znacznym zwiększeniu gęstości wad budowy krystalicznej co można osiągnąć przez stosowanie stopów metali o strukturze polikrystalicznej w wyniku rozdrobnienia ziarn, wytwarzania faz o dużej dyspersji, a także przez zgniot wskutek odkształcenia plastycznego na zimno. Osiągnięciu tego celu sprzyjają więc procesy technologiczne odlewania, obróbki plastycznej i obróbki cieplnej. Dokładnie nie da się określić wpływu, gdyż np. odkształcenia plastyczne materiałów krystalicznych jest zwykle realizowana dzięki przemieszczaniu się dyslokacji. Rzeczywista wytrzymałość metali zmniejsza się wraz ze zwiększeniem liczby dyslokacji i innych defektów sieciowych tylko do pewnego momentu, ponieważ gdy osiąga pewien poziom zaczyna wpływać pozytywnie i umacnia materiał np. zbyt duża ilość dyslokacji powoduje ich wzajemne blokowanie się. Wpływ defektów sieci na własności kryształów jest bardzo istotny - często znacznie większy niż wpływ typu sieci krystalicznej. Tak np. wakancje ułatwiają dyfuzję atomów a wiadomo, że dyfuzja jest podstawą prawie wszystkich procesów i przemian zachodzących w materiałach. Z kolei defekty liniowe (dyslokacje) ułatwiają odkształcanie metali i bez nich przeróbka plastyczna byłaby niemożliwa. Bardzo ważne są także granice ziarn jako defekty powierzchniowe , które są czynnikiem umacniającym materiał, ale w pewnych przypadkach mogą odgrywać negatywną rolę. Dlatego znajomość defektów i ich roli w różnych procesach jest bardzo ważna w nowoczesnym materiałoznawstwie
21. wydłużenie - przyrost długości próbki odniesiony do długości wyjściowej próbki, wyrażony w procentach (A=Δl/l0 *100%; Materiały o wysokiej plastyczności - wydłużenie powyżej 20%, materiały o niskiej plastyczności - wydłużenie osiąga do 2-3%); 22. wytrzymałość na rozciąganie - stosunek największej siły rozciągającej uzyskanej w czasie próby rozciągania do pierwotnego przekroju poprzecznego tej próbki (Rm=Fm/S0) 23. Wytrzymałość zmęczeniowe - najwyższy poziom cyklicznego naprężenia, który nie powoduje zniszczenia próbek poddanych badaniu do umownej, granicznej liczby cykli. Jeżeli materiał zostaje poddany działaniu sił zewnętrznych, które zmieniają się w sposób cykliczny tak, jak np. wał korbowy w silniku spalinowym to wzrasta niebezpieczeństwo zniszczenia obiektu i to przy znacznie niższych naprężeniach aniżeli przy jednokrotnym obciążeniu. Zmęczeniem materiału nazywa się zjawisko zmniejszenia jego wytrzymałości w wyniku wielokrotnych zmian obciążenia. Elementy konstrukcyjne w skutek zmęczenia ulegają pęknięciu. Na skutek cyklicznych zmian naprężenia, pęknięcie postępuje. Ognisko pęknięcia powstaje zazwyczaj w miejscu spiętrzenia naprężenia wywołanego nieciągłością kształtu (karbem) elementu konstrukcyjnego. Strzałki pokazują rozwój(kierunki) szczeliny. Próbki są polerowane i mają stały przekrój, następnie poddaje się je okresowo zmiennym obciążeniom o stałej amplitudzie. Rozróżnia się 3 podstawowe przypadki zmienności naprężenia I - naprężenia stałe w czasie; II - cykl tnący; III - cykl wahadłowy; Zależność między amplitudą naprężeń σ a liczbą N cykli zmian obciążenia, po których próbka ulegnie zniszczeniu zmęczeniowemu przedstawia tzw. Krzywa Wöhlera. Dla stali ustala się pewną stałą wartość naprężeń po 10^7 cyklach. Naprężenie to określa się jako dopuszczalne i nazywane jest wytrzymałością zmęczeniową. Powyższa prawidłowość nie dotyczy metali nieżelaznych i materiałów niemetalowych, dla których naprężenie niszczące maleje w sposób ciągły wraz ze wzrostem liczby cykli. Naprężenie to określa się jako odpowiadające dopuszczalnemu i nazywane jest wytrzymałością zmęczeniową. Z pewnym przybliżeniem można przyjąć, że wytrzymałość zmęczeniowa stali jest połową wytrzymałości doraźnej, czyli Rz=0,5Rm. Bardziej dokładne zależności przewidują, że wytrzymałość zmęczeniowa zależy od wytrzymałości doraźnej oraz od plastyczności wyrażonej przewężeniem Rz=Rm(0,25 + 0,4Z). Aby podwyższyć wytrzymałość zmęczeniową należy jednocześnie podwyższyć Rm oraz Z co jest dość trudne
15. Twardość - opór jaki stawia materiał podczas wciskania w niego innego materiału; Skala Mohsa - jest to skala od 1 do 10, gdzie 1 to materiał najbardziej miękki, a 10 najbardziej twardy; Wyróżniamy 3 metody pomiaru twardości: 1) Metoda Brinella - w badany element wciskamy zahartowaną kulkę. Pomiar twardości polega na pomiarze średnicy wgłębienia. Paramatery twardości w metodzie Brinella oznaczamy HB. Kulka, która wciskamy ma średnice od 1 do 10mm, natomiast siły wciskania wynoszą od 30000N do 300N. Metoda ta służy do badania materiałów miękkich. HB=0,204F/πD(D-pierw(D^2 - d^2) D-średnica kulki, d- średnica odcisku, F-siła ; im mniejszy odcisk tym większa twardość 2. Metoda Vickersa - twardość w skali Vickersa oznacza się HV(skala o zakresie od 80 do 700); metoda polega na wciskaniu diamentowego ostrosłupa o podstawie kwadratowej i kącie rozwarcia między ramionami 136°. Wciskamy z siłami od 50 do 1000N lub 0,02 do 2N. Mniejsze siły stosujemy do badania warstw. Twardość obliczamy ze wzoru: HV=0,189F/d^2 . Metoda stosowana do materiałów twardych i bardzo twardych. 3. Metoda Rockwella - wciskamy diamentowy stożek o kącie wierzchołkowym 120° i promieniu zaokrąglenia 0,2mm. Wynik odczytujemy w skali HRC. Metoda jest łatwa w użyciu, ponieważ do odczytu stosujemy przyrządy, które same odczytują głębokość i określają twardość. Metoda ma dodatkową zaletę, mianowicie nie jest niszcząca, pozostawia jedynie małą skazę na badanym materiale. Metoda stosowana do badania twardych materiałów. 16. Udarność - materiały, które w praktyce zostaną poddane działaniu sił dynamicznych winny cechować się dużą udarnością. Pomiar udarności polega na zmierzeniu pracy jaką należy wykonać przy złamaniu próbki materiału. W celu zlokalizowania pęknięcia na przekroju próbki wykonuje się karb sięgający do 20% grubości próbki(karb musi być w kształcie litery U lub V). Parametr udarności oznaczamy: KCV - jeżeli karb ma kształt litery V; KCU - jeżeli karb ma kształt litery U. Wyniki próby udarności podaje się po przeliczeniu pracy na jednostkę powierzchni łamanego materiału [J/cm^2]. Dla standardowych próbek podaje się tylko pracę w [J]. Bardzo ciągliwe materiały charakteryzują się udarnością 300J/cm^2 natomiast kruche 10J/cm^2. Udarność zmniejsza się w temperaturach niskich i dla wielu stali temperatury przejścia w stan kruchy wynoszą od -20 do -10 stopni C co jest powodem licznych awarii urządzeń na mrozie; KarbU - próba Mesnegera; KarbV - próba Charpy'ego; Obie próby nie są porównywalne; 18. Umowna granica plastyczności - naprężenie, które wywołuje trwałe odkształcenie 0,2% długości pomiarowej. Wyznaczamy ją dla materiałów, które charakteryzują się dużą wytrzymałością a nie odznaczają się dużą plastycznością (R0,2=F0,2/S0 [MPa]);