1. Układ Fe - Fe3C

Układ żelazo-węgiel, dwuskładnikowy układ równowagi utworzony przez żelazo i węgiel, krzepnący przeważnie jako układ żelazo-cementyt. Zazwyczaj układ żelazo-węgiel przedstawiany jest graficznie w formie wykresu, na którym linie ciągłe dotyczą układu żelazo-cementyt (stopów, w których węgiel występuje pod postacią cementytu), a linie przerywane - układu żelazo-grafit (stopów, w których węgiel występuje pod postacią grafitu).

Przemiana perytektyczna 

zachodz w temp. 1495ºC, jest przemianą, podczas której, w czasie chłodzenia, dwie fazy (jedna z nich ciekła) przemieniają się w jedną fazę stałą. L + α → β

Przemiana eutektyczna
Przemianę Ciecz → α + β nazywamy przemianą eutektyczną. Zachodzi w temp. 1148ºC.Przemiana eutektyczna jest przemianą, w której udział biorą trzy fazy. Podczas przemiany, w czasie chłodzenia, ciecz przemienia się w dwie fazy stałe jednocześnie.

Przemiana eutektoidalna
Zachodzi w temp. 727ºC, jest przemianą, w której biorą udział trzy fazy. Podczas chłodzenia faza stała przemienia się w dwie inne fazy stałe jednocześnie. γ → α + β

Linia Likwidus układu żelazo węgiel przebiega między punktami ABCD.
Linię Solidus wyznaczają punkty AHJECF dla układu żelazo węgiel i AHJE'C'F' dla układu żelazo grafit. Oznacza to że wzdłuz linii AB wydzielają się z cieczy kryształki ferrytu, wzdłuż linii BC kryształki austenitu, natomiast wzdłuż linii CD cementyt zwany pierwotnym. 
Linia ES określa zmienną rozpuszczalność węgla w austenicie pozostajacym w rownowadze z cementytem i oznacza się to symbolem Acm. Ponieważ przy chłodzeniu rozpuszczalność węgla maleje od 2,11% w temperaturze 1148ºCdo 0,77%C w 727ºC, nadmiar wegla wydziela się w postaci cementytu zwanego wtórnym.
Podobnie linia PQ określa zmienną rozpuszczalność węgla w ferrycie. W temperaturze 727ºC rozpuszcza się o,0218% C, podczas gdy w temperaturze pokojowej 0,008% C. Stad przy chłodzeniu nadmiar węgla wydziela się w postaci cementytu zwanego trzeciorzędowym.

2. Hartowność - czynniki wpływające na hartowność, definicje parametrów

Hartowność - zdolność stali do tworzenia struktury martenzytycznej w procesie hartowania. Za strefę zahartowaną przyjmuje się obszar zawierający co najmniej 50% martenzytu. Twardość strefy  półmartenzytycznej (zawierającej 50% martenzytu), określa się mianem twardości krytycznej. w definicji hartowności rozróżnia się dwa pojęcia:

- utwardzalność - podatność  stali do hartowania, wyrażona  najwyższą twardością jaką można  osiągnąć w wyniku hartowania,

- przehartowalność -  podatność stali do utwardzania się, w głąb przekroju pod wpływem hartowania.

Czynniki wpływające na hartowność

- Skład chemiczny - węgiel i wszystkie pierwiastki z wyjątkiem kobaltu, jeżeli są rozpuszczone w austenicie, zwiększają hartowność stali (przesuwają linie wykresu CTPc w prawo).

- Jednorodność austenitu - im większa jednorodność austenitu tym hartowność stali większa, ponieważ brak jest dodatkowych zarodków przyśpieszających rozkład austenitu w zakresie przemiany perlitycznej. Niejednorodność austenitu może być spowodowana obecnością wtrąceń niemetalicznych (tlenki, azotki itp.) i węglików lub również brakiem wyrównania składu chemicznego w objętości ziaren austenitu.

- Wielkość ziarna austenitu - im większe ziarno tym większa hartowność. Wynika to z faktu zmniejszania się, ilości uprzywilejowanych miejsc zarodkowania cementytu, którymi są m.in. granice ziaren. Struktura gruboziarnista -ma mniejszą sumaryczną powierzchnię ziaren w stosunku do struktury drobnoziarnistej.

3. Omówić metody badania hartowności: próbnego hartowania, krzywych U, metoda Jorniny, analityczna Grossmanna

Istnieją zasadnicze metody badania hartowności:

• obserwacja przełomu,

• metoda krzywych U,

• próba hartowania od czoła (próba Jominy'ego)

Obserwacja przełomu jest metodą warsztatową badania hartowności. Przy przełamaniu zahartowanego pręta część zahartowana ma przełom jedwabisty, matowy, natomiast część nie zahartowana jest błyszcząca. Metodę tę stosuje się do badania stali narzędziowych.

Metodą krzywych U polega na pomiarze twardości na przekroju hartowanych prętów o wzrastających średnicach. Krzywe rozkładu twardości przyjmują kształt litery U. Zbiór takich krzywych stanowi charakterystyką hartowności badanej stali.

próba  Jominy'eqo polega na oziębianiu strumieniem wody czołowej powierzchni próbki walcowej o średnicy 25 mm i długości 100 mm, po uprzednim austenityzowaniu w określonych warunkach, oraz na pomiarze twardości wzdłuż zeszlifowanej bocznej powierzchni walcowej w funkcji odległości od czoła. Próbą przeprowadza się, w specjalnym urządzeniu

Rys.9.Schemat urządzenia do badania hartowności metodą hartowania od czoła:  l - próbka 2 - dysza 3 - przesłona 4 - uchwyt próbki 5 - zawór.

Cechą charakterystyczną opisanej próby jest zmieniająca się wzdłuż próbki w dość szerokim zakresie szybkość chłodzenia. Wynik badania przedstawiony jest w postaci krzywej twardości próbki w funkcji odległości od jej powierzchni czołowej. Celem scharakteryzowania hartowności gatunku stali podaje się wyniki prób wykonanych na wielu wytopach w postaci tzw. pasma hartowności

4. Omówić przemianę martenzytyczną

Rodzaje martenzytów

1. martenzyt listwowy (przy mniejszej zaw.C)

2. martenzyt płytkowy (przy większej zaw. C)

Wpływ C na rodzaj martenzytu i ilość austenitu szczątkowego

źródła wytrzymałości martenzytu:

- duża gęstość dyslokacji i rozdrobnienie ziarna (grubość płytek jest mniejsza od 1 um a listwy są jeszcze cieńsze

- zawartość węgla - dominująca przy wyższych zawartościach C

- przykładowo udział mechanizmów umocnienia w R_m martenzytu stali zawierającej 0.4%C:

• granice ziarn - 620MPa

• dyslokacje - 270MPa

• węgiel w roztworze: 1150MPa

• inne - 200MPa

Wpływ C na R_m martenzytu

Cechy przemiany martenzytycznej

- zarodkowanie jest heterogeniczne, wzrost zarodków z reguły atermiczny

- przemiana polega na skoordynowanym przemieszczaniu atomów przy zachowaniu niezmiennego sąsiedztwa

- przemiana zachodzi przez wielokrotne ścinanie według mechanizmu poślizgu lub bliźniakowania

- w wyniku przemiany powstaje martenzyt listwowy lub płytkowy

- przemiana zachodzi przy ciągłym obniżaniu temperatury pomiędzy M_s i M_f

- przemiana nie zachodzi do końca po jej zakończeniu pozostaje pewna ilość austenitu szczątkowego w wyniku rosnących naprężeń

- między płaszczyznami sieciowymi martenzytu istnieje ścisła zależność orientacji krystalograficznych

- Naprężenie rozciągające i odkształcenia plastyczne ułatwiają przemianę

- Izotermiczne wytrzymanie poniżej M_s stabilizuje austenit

5. Omówić przemianę bainityczną

Zachodzi przy chłodzeniu austenitu w zakresie 550 -Ms

Jest przemianą pośrednią, tzn że posiada cechy przemiany dyfuzyjnej i bezdyfuzyjnej

produkty przemiany: bainit górny, bainit dolny

bainit jest mieszaniną przesyconego ferrytu i węglików

Bainit górny powstaje w zakresie 550-400C

- składa się z listew ferrytu o szerokości 0.5um między którymi znajdują się węgliki a niekiedy austenit

- Bainit dolny powstaje poniżej 400C

- wzrost cząstek węglików zachodzi tu we wnętrzu ferrytu

przy obniżaniu T rośnie gęstość dyslokacji, przesycenie węglem i rozdrobnienie węglików

bainit górny ma gorsze własności mechaniczne: niższą twardość i mniejszą odporność na pękanie

bainit dolny ma wyższą twardość i większą odporność na pękanie

Cechy przemiany bainitycznej

- przemianę poprzedza okres inkubacji, w którym zachodzą dyfuzyjne zmiany stężenia węgla w austenicie

- zarodkowanie bainitu jest heterogeniczne i zaczyna się w obszarach zubożonych w węgiel w których zachodzi przemiana bezdyfuzyjna

- rozrost bainitu jest kontrolowany dyfuzją - od niej zależy szybkość przemiany z obszarów bogatych w węgiel wydzielają się węgliki

- mechanizm przemiany zależy od temperatury

- bainit jest strukturą dwufazową złożoną z ferrytu przesyconego węglem i węglików

- ferryt bainitu wykazuje zależność krystalograficzną zarówno z austenitem jak i cementytem bainitu

6. Temperatura hartowania - w jaki sposób dobierana

W zależności od zaw. C

7. Hartowania, rodzaje hartowania obietościowego

Hartowanie ma na celu uzyskanie maksymalnej twardości stali.

Polega na nagrzaniu stali do temperatury hartowania, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym chłodzeniu z szybkością pozwalającą uzyskać strukturę martenzytyczną lub bainityczną. W zależności od tego, jaka objętość elementu hartowanego jest nagrzana do temperatury hartowania, rozróżniamy

1. hartowanie objętościowe

2. hartowanie powierzchniowe

Rodzaje hartowania objętościowego:

• Hartowanie martenzytyczne zwykłe ( z chłodzeniem ciągłym) - Twardość zahartowanych stali podeutektoidalnych prawie wyłącznie zależy od zawartości węgla.

• Hartowanie martenzytyczne stopniowe - Hartowanie stopniowe przeprowadza się stosując jako ośrodek chłodzący olej hartowniczy lub sól azotanowo-azotynową.

- Oleje są stosowane do 200 - 230^oC,

- natomiast sole mogą być stosowane w zakresie 180-400^oC

• Hartowanie bainityczne z przemianą izotermiczną - Po tym rodzaju hartowania otrzymuje się strukturę wyłącznie lub w przeważającym stopniu bainityczną. Hartowanie to składa się z następujących zabiegów:

- Austenityzowanie

- Chłodzenie szybkie do odpowiedniej temperatury

- Wytrzymanie w kąpieli chłodzącej o temperaturze wyższej od M_s (zwykle 200 do 400^oC) do zakończenia przemiany bainitycznej

- Dochładzanie do temperatury otoczenia z dowolną szybkością

Główny cel hartowania izotermicznego jest osiągnięcie wyższych własności plastycznych i udarności niż to jest możliwe po ulepszaniu cieplnym.

• Struktura bainityczna ma wyższe wydłużenie, przewężenie i udarność w porównaniu z sorbitem o tej samej twardości.

• Ponadto cechuje się mniejszą wrażliwością na działanie karbu.

• Kolejna korzystna cecha hartowania izotermicznego to minimalne zmiany wymiarowe, mniejsze naprężenia własne i odkształcenia

8. Hartowania powierzchniowe

Polega na szybkim nagrzaniu to temperatury hartowania tylko warstwy wierzchniej i następnym szybkim jej ochłodzeniu

Ważniejsze cechy:

1. Nagrzewanie cienkiej warstwy w miejscach, gdzie to jest wymagane

2. Zmniejszenie odkształceń hartowniczych

3. Krótki czas obróbki

4. Minimalne utlenianie powierzchni

5. Możliwość zastępowania stali stopowych przez węglowe i niskostopowe

Sposoby:

6. Hartowanie indukcyjne - Przy zastosowaniu prądu zmiennego wielkiej częstotliwości

Grubość warstwy, ၤ [cm]

ၲ - oporność właściwa, ၗxcm

ၭ - przenikalność magnetyczna, gaus/ersted

f - częstotliwość prądu, s-1

Do wytwarzania pola magnetycznego w którym nagrzewa się przedmioty używa się specjalnych cewek, tzw. wzbudników, w których płynie prąd dostarczany przez generator prądu zmiennego. Stosuje się częstości prądu od 100 do 1000kHz, umożliwia uzyskanie grubości warstwy zahartowanej 1 do 3 mm.

7. Hartowanie płomieniowe - Nagrzanie powierzchni przedmiotu stalowego za pomocą płomienia uzyskanego ze spalania gazów i następnie szybkim oziębianiu natryskiem wodnym

8. Hartowanie kąpielowe

9. Hartowanie kontaktowe

10. Hartowanie elektrolityczne

9. Zastosowanie wykresów CTPc do przewidywania hartowności

10. Omówić czynniki wpływające na twardość stali po hartowaniu

11. Ośrodki chłodzące - intensywność oziębiania

Aby zahartować stal, należy przedmiot chłodzić z szybkością większą od krytycznej, która zależy od hartowności stali

Orientacyjnie przyjmuje się, że

krytyczne szybkości chłodzenia dla stali węglowych wynoszą 1000 - 100^oC/s w zależności od składu chemicznego,

dla stali stopowych ok. 100 - 10^oC/s

Krytyczna szybkość chłodzenia jest tylko jednym z kryteriów doboru ośrodka chłodzącego.

Inny ważny czynnik to wielkość i złożoność kształtu przedmiotu i wynikające naprężenia cieplne i strukturalne.

Jeśli wybrany ze względu na krytyczną szybkość chłodzenia ośrodek powoduje nadmierne odkształcenia lub pęknięcia, to należy zmienić gatunek stali na inny o większej hartowności, co umożliwi zastosowanie ośrodka o mniejszej intensywności chłodzenia.

12. Naprężenia hartownicze

Powodem pęknięć i odkształceń przy hartowaniu stali są zmiany objętościowe przy grzaniu i chłodzeniu. Podczas przemiany martenzytycznej objętość wzrasta o 3%.

- Naprężenia cieplne

- Naprężenia strukturalne

13. Przemiany przy nagrzewaniu ze stanu zahartowanego

14. Rodzaje odpuszczania - ogólny podział

Odpuszczanie - Polega na wygrzewaniu stali zahartowanej w zakresie temperatur od 120^oC do poniżej A₁ oraz następne chłodzenie, czasami z większą szybkością. Cel odpuszczania nadanie stali optymalnych własności a zwłaszcza zmniejszenie kruchości i niekorzystnego stanu naprężeń własnych .

Rodzaje odpuszczania:

• Niskie 150 - 250^oC

• Średnie 250 - 500^oC

• Wysokie 500 - A₁

15. Krzywa dylatometryczna odpuszczania

16. Przemiany podczas odpuszczania

Podczas wygrzewania w temperaturze niższej od A1 i studzenia stali uprzednio zahartowanej zachodzą w niej liczne przemiany fazowe. Należą do nich: rozkład martenzytu, przemiana austenitu szczątkowego w fazę α, wydzielanie węglika ε i cementytu, a w stalach stopowych również innych węglików, koagulacja węglików wydzielonych we wcześniejszych stadiach odpuszczania. Siłą pędną przemian podczas odpuszczania jest różnica energii swobodnej między metastabilnym martenzytem a mieszaniną faz złożoną z ferrytu i węglików. W zależności od warunków odpuszczania, głównie zaś temperatury, można wyróżnić kilka stadiów tego procesu, w których przeważa jedna z przemian. Śledzenie przemian podczas odpuszczania umożliwiają badania dylatometryczne. Pierwsze stadium odpuszczania stali węglowych - w zakresie ok. 80-200°C - jest związane z rozkładem martenzytu i wydzielaniem w nim węglika ε są koherentne z osnową. Wydzielanie węglika ε wywołuje zmniejszenie stężenia węgla w martenzycie. Zmniejszenie stopnia przesycenia martenzytu węglem powoduje z kolei zmniejszenie tetragonalności martenzytu i tworzenie się martenzytu o sieci regularnej, zwanego martenzytem odpuszczonym.
Odpuszczanie w stadium drugim - w zakresie ok. 200-
300°C - wywołuje przemianę austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony według mechanizmu zbliżonego do przemiany bainitycznej. 
Trzecie stadium odpuszczania - w zakresie ok. 300-400°C - polega na rozpuszczaniu się węglika ε w osnowie i niezależnym wydzielaniu się cementytu.
W kolejnym stadium odpuszczania zachodzi koagulacja cząstek tej fazy, związana ze zwiększaniem się niektórych cząstek cementytu i rozpuszczaniem cząstek małych. Towarzyszy temu sferoidyzacja, polegająca na przyjmowaniu przez cząstki cementytu kształtu kulistego. W wyniku tego uzyskuje się strukturę martenzytu wysokoodpuszczonego (zwanego niekiedy sorbitem), złożonego z b. drobnych kulistych cząstek cementytu w osnowie ferrytycznej. 
Odpuszczanie w temperaturze wyższej od ok. 600°C powoduje koagulację cementytu, której towarzyszą procesy zdrowienia i rekrystalizacji osnowy. W wyniku tego uzyskuje się strukturę sferoidytu, tj. cementytu kulkowego w osnowie ferrytu o twardości mniejszej od 300 HB.

17. Rola czasu i temperatury przy odpuszczaniu

Wpływ temperatury odpuszczani a na własności stali:

18. Wpływ przemian podczas odpuszczania na własności mechaniczne

Zmiany twardości podczas odpuszczania:

Kruchość odpuszczania:

Szybkość chłodzenia po odpuszczaniu zależy od wrażliwości na kruchość odpuszczania.

Kruchość odpuszczania.

• Nieodwracalna 250 - 400^oC

• Odwracalna 400 - 600^oC

Kruchość odpuszczania nieodwracalna

• Związana z wydzielaniem węglików przejściowych a w stalach wyżej węglowych z przemianą austenitu szczątkowego. Obniżenie udarności wskutek wzrostu naprężeń własnych

19. Wpływ pierwiastków stopowych na zmiany własności

Postać występowania dodatków stopowych i ich wpływ na własności stali:

w zależności od ilości i rodzaju pierwiastków stopowych mogą one występować w następujących fazach:

1. rozpuszczać się w ferrycie lub austenicie

1. tworzyć węgliki , azotki lub węgliko - azotki

1. tworzyć fazy międzymetaliczne (z Fe lub między sobą)

1. w postaci wtrąceń niemetalicznych (WN)

1. w stanie wolnym (brak rozpuszczalności w osnowie lub nie reagują pomiędzy sobą)

Ogólnie:

- pierwiastki stopowe rozpuszczone w roztworach stałych (F lub A) wpływają głównie na:

- własności tych faz

- położenie temperatur krytycznych przemiany austenitu

(ukł. Fe-Fe₃C)

- szybkość dyfuzji

- położenie temperatur M _S i M _f

- skłonność do odpuszczania

- wchodzenie pierwiastków stopowych do innych faz może powodować

- zubożenie roztworu stałego w dany pierwiastek

- ziększenie (lub pogorsznie) własności stali w zależności od

rodzaju i własności powstających faz oraz ich kształtu i dyspersji

20. Wpływ pierwiastków stopowych na przemiany podczas odpuszczania

Wpływ na przemiany alotropowe Fe

- Cr, Mn, Ni,Cu, C, N obniżają temp. A3

- Mn, Ni,Cu, C, N, Co podwyższają temp. A4

wszystkie pierwiastki rozpuszczone w austenicie (oprócz Co) zwiększają hartowność stali

- pierwiastki austenitotwórcze Mn, Ni,Si- przesuwają krzywe początku i końca przemiany austenitu do dłuższych czasów (bez zmiany charakteru krzywych)- rys.3a

- pierwiastki węglikotwórcze Cr,W,Mo,V- przesuwają krzywe początku i końca przemiany austenitu do dłuższych czasów (zmieniając charakter krzywych)

wpływ pierwiastków stopowych na proces odpuszczania

- stale niestopowe nagrzane do temp. > 200⁰C tracą szybko twardość

• pierwiastki stopowe zmniejszają szybkość dyfuzji co powoduje

przesunięcie przemian (wydzielanie węglików i wolniejszy spadek twardości stali) podczas odpuszczania stali stopowych do wyższych temperatur (mechanizm odpuszczania < 450⁰ C jest analogiczny jak stali niestopowej)

-> 450⁰C (w zależności od ilości i rodzaju dodatków stopowych- węgliktwórczych) wydzielają się dyspersyjne węgliki wywołując tzw. efekt twardości wtórnej

---