2.Fazy i składniki struktury

• Ferryt jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w żelazie α. Powstaje przez wchodzenie atomów węgla do luk oktaedrycznych, które są spłaszczone, i tetraedrycznych. Fakt, że średnica atomu węgla jest większa od średnicy luk powoduje, że rozpuszczalność węgla jest mała i nie przekracza 0,022%. Ferryt jako oddzielny składnik strukturalny występuje w stalach podeutektoidalnych - tzw. ferryt przedeutektoidalny, ale wchodzi również w skład perlitu i ledeburytu przemienionego. Ze względu na małą zawartość węgla własności ferrytu niewiele różnią się od własności czystego żelaza α i tak R_m = ok. 300 MPa, 80 HB, A₁₀= 40%, KC = ok. 1800 kJ/m². Na zgładach metalograficznych jest widoczny jako jasny składnik. Ferryt przedeutektoidalny występuje w postaci oddzielnych ziarenek na przemian z ziarnami perlitu lub na granicach ziaren perlitu. Ferryt δ jest roztworem stałym węgla w wysokotemperaturowej odmianie żelaza α. Wykazuje on większą rozpuszczalność węgla niż ferryt α (do 0,09°/n), ma również większy parametr sieci niż ferryt α.

• Austenit jest roztworem stałym, międzywęzłowym węgla w Fe-γ o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11%. Większa rozpuszczalność węgla wiąże się z kulistym kształtem luk oktaedrycznych. Ze względu na typ sieci A1 ma największą gęstość spośród wszystkich faz układu. W warunkach równowagi nie może istnieć poniżej temperatury 727°C . Wprowadzenie pierwiastków austenitotwórczych (np. Mn, Ni) obniża zakres istnienia austenitu do temperatury pokojowej. Własności mechaniczne austenitu w temperaturze pokojowej są następujące: R_m = ok. 700-800 MPa, R_e = ok. 250 MPa, ok. 200 HB, A₁₀ = 40-60%, KC = ok. 2000=3000 kJ/m². W próbie rozciągania odkształca się równomiernie (nie tworzy się szyjka). Na zgładach metalograficznych występuje jako składnik z charakterystycznymi, prostoliniowymi granicami bliźniaczymi.

• Perlit jest eutektoidem o zawartości 0,77°/o C. Powstaje w wyniku przemiany eutektoidalnej, która zachodzi w temp. 727°C. Jest zbudowany na przemian z płytek ferrytu i cementytu o stosunku grubości 7:1. Dyspersja perlitu (tzn. odległość między płytkami) jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości przechłodzenia względem temperatury 727°C. Własności mechaniczne perlitu zależą od jego dyspersji tzn. wytrzymałość i twardość rosną ze wzrostem stopnia dyspersji i wynoszą: R_m = ok. 700-800 MPa., R_e= ok. 400 MPa., ok.180-220 HB, A₁₀ = ok. 8%, KC = ok. 400kJ/m². Pod mikroskopem przy małych powiększeniach, po trawieniu nitalem perlit przybiera wygląd szarych, perlistych obszarów, co było podstawą jego nazwy. Przy większych powiększeniach widoczna jest wyraźnie budowa płytkowa. Perlit jest składnikiem strukturalnym stali i surówek podeutektycznych białych i surówek szarych perlitycznych. Niekiedy perlitem kulkowym nazywa się strukturę złożoną ze sferoidalnych wydzieleń cementytu na tle ferrytu. Strukturę taką uzyskuje się w wyniku długotrwałego wyżarzania stali eutektoidalnych lub nadeutektoidalnych. Ostatnio częściej jest stosowana nazwa cementytu kulkowego lub sferoidytu.

• Cementyt jest węglikiem żelaza (Fe₃C) o strukturze rombowej. Zawiera 6,67% mas. węgla (25% at.). Ze względu na znaczny udział wiązania metalicznego ma własności metaliczne. Punkt Curie cementytu występuje w temp. 210°C. Jego gęstość jest mniejsza niż żelaza i wynosi 7,68 g/cm³. Temperatura topnienia (obliczona) 1227°C. Atomy żelaza mogą być zastępowane w cementycie atomami Cr, Mn i Mo, a atomy węgla atomami azotu. W ten sposób powstaje tzw. cementyt stopowy lub azotowy. Cementyt jest składnikiem bardzo twardym może rysować szkło (700 HB), ale zarazem kruchym. W stopach żelaza z węglem może występować w różnych składnikach strukturalnych, albo w postaci oddzielnych wydzieleń np. cementyt pierwotny, wtórny, trzeciorzędowy, lub jako składnik eutektyki (ledeburytu) albo eutektoidu (perlitu). Przy obserwacjach mikroskopowych po trawieniu nitalem przyjmuje postać jasnych wydzieleń, niekiedy trudno odróżnialnych od ferrytu. Zasadowy pikrynian sodowy barwi cementyt na kolor ciemny. W czasie wyżarzania w wysokich temperaturach cementyt ulega rozkładowi na ferryt + grafit według reakcji Fe₃C3Fe+C.

• Grafit jest składnikiem strukturalnym surówek (żeliw) szarych i pstrych. Jest on odmianą alotropową węgla o strukturze heksagonalnej (typ A9). Jego parametry wynoszą: a = 0,246 nm, c = 0,671 nm, Gęstość grafitu jest znacznie mniejsza od żelaza (2,22 g/cm³). Również wytrzymałość i twardość grafitu są bardzo niskie i wynoszą odpowiednio ok. 20 MPa i około 0,5-1 w skali Mohsa. Temperatura topnienia 3500°C. Jest słabym przewodnikiem elektrycznym. W surówkach występuje w postaci wydzieleń o różnym kształcie, najczęściej jako płatkowy lub kulisty (sferoidalny). Może wydzielać się bezpośrednio z fazy ciekłej lub powstawać w wyniku rozkładu cementytu (węgiel żarzenia). Przy obserwacjach mikroskopowych, nawet bez trawienia, jest widoczny w postaci czarnych wydzieleń. Pod względem morfologicznym, podobnie jak cementyt, może być pierwotny, wtórny, eutektyczny, eutektoidalny.

• Ledeburyt jest mieszaniną eutektyczną austenitu i cementytu. Powstaje z roztworu ciekłego o zawartości 4,3% C. Jest składnikiem strukturalnym surówek białych. Cechuje go dość znaczna twardość (ok. 450 HB) i kruchość. Występuje również w niektórych narzędziowych stalach stopowych. Poniżej temp. 727°C występuje jako ledeburyt przemieniony w wyniku przemiany austenitu ledeburytycznego w perlit.

• Martenzyt listwowy cechuje się tym, że kryształy martenzytu mają kształt listew równoległych do {111}_M, o szerokości 0,1-3 μm. Są one oddzielone granicami małego kąta i między listkami brak jest austenitu szczątkowego. Martenzyt listwowy może powstawać we wszystkich stopach żelaza z pierwiastkami przy odpowiednim składzie chemicznym

• Martenzyt płytkowy, który tworzy się jedynie w niektórych stopach żelaza, składa się zwykle z płytek mających kształt soczewek o różnych wielkościach oddzielonych nie przemienionym austenitem

• Martenzyt cechuje wysoka twardość i mała ciągliwość. Twardość zależy głównie od zawartości węgla, o dodatek pierwiastków stopowych nie wpływa istotnie na tę własność. Duża twardość martenzytu w stalach jest wynikiem obniżenia symetrii sieci i wysokich naprężeń, powodowanych przez atomy międzywęzłowe oraz obecność defektów sieciowych takich jak dyslokacje czy mikrobliźniaki.

4.Rodzaje żeliw, żeliwa białe, żeliwa szare z grafitem - warunki jego otrzymywania, kształt wydzieleń grafitowych. Osnowy na tle których występuje grafit.

Żeliwo powstaje przez przetopienie surówki z domieszką złomu żeliwnego i stalowego w specjalnych piecach i odlaniu do odpowiedniej formy metalowej. Zależnie od postaci węgla w żeliwie rozróżnia się:

• żeliwo białe - w którym cała jego ilość jest w stanie węglika żelaza.

• żeliwo szare - znaczna część węgla lub cała jego ilość jest w stanie wolnym w postaci grafitu płatkowego.

• żeliwo sferoidalne - w którym cała ilość węgla lub znaczna jego część występuje w stanie wolnym w postaci grafitu sferoidalnego ( kulkowego).

• żeliwo ciągliwe - cała ilość lub znaczna część węgla znajdującego się w żeliwie tym występuje w stanie wolnym w postaci węgla żarzenia.

Żeliwo białe jest bardzo twarde i bardzo kruche, nie daje się obrabiać narzędziami skrawającymi . Żeliwo szare w jego mikrostrukturze należy wyróżnić osnowę metaliczną i wtrącenia grafitu. Grafit może występować w trzech postaciach: grafit płatkowy, grafit sferoidalny, grafit kłaczkowy (węgiel żarzenia)

Żeliwo ciągliwe jest to żeliwo zawierające grafit w postaci węgla żarzenia, otrzymywane z żeliwa białego w wyniku specjalnego tzw. grafityzującego wyżarzenia. Przez odpowiednie wyżarzenie staje się materiałem ciągliwym, dobrze obrabialnym. Zależnie od atmosfery wyżarzenia rozróżnia się:

• żeliwo ciągliwe szare - którego proces żarzenia przeprowadza się w atmosferze obojętnej,

• żeliwo ciągliwe białe którego proces przeprowadza się w atmosferze utleniającej.

Pod względem strukturalnym żeliwa ciągliwe dzielimy na:

• żeliwo ciągliwe ferrytyczne - wydzielenia węgla żarzenia w osnowie ferrytycznej.

• żeliwo ciągliwe ferrytyczno - perlityczne - wtrącenia węgla żarzenia otoczone ferrytem na tle perlitu.

• żeliwo ciągliwe perlityczne - węgiel żarzenia na tle perlitu.

Ważną zaletą żeliwa ciągliwego czarnego jest jego dobra skrawalność, wykazuje większą plastyczność iż białe, natomiast większa twardość żeliwa białego nadaje odlewom większą odporność na ściskanie.

Żeliwo sferoidalne - w którym grafit ma kształt zbliżony do kulistego. Żeliwo takie otrzymuje się przez dodanie do ciekłego żeliwa o określonym składzie chemicznym cezu lub manganu. Podstawowymi składnikami struktury osnowy metalicznej żeliwa sferoidalnego są perlit i ferryt.

Ze względu na przeznaczenie surówki dzielą się na:

• surówki przeróbcze - przeznaczone do wyrobu stali;

• surówki odlewnicze - przeznaczone na odlewy.

Żeliwa szare.

Żeliwa są stopami odlewniczymi na osnowie żelaza o zawartości węgla w granicach 2-3,8%, szeroko stosowanymi przy budowie maszyn. Dużą popularność zdobyły żeliwa szare dzięki takim zaletom jak:

• łatwość odlewania nawet skomplikowanych kształtów,

• możliwość ograniczania obróbki skrawaniem do minimum oraz dobra skrawalność,

• dobra wytrzymałość,

• duża zdolność tłumienia drgań,

• dobra odporność na ścieranie,

• mała rozszerzalność cieplna,

• niski koszt wytwarzania.

Nazwa żeliwa szarego pochodzi od ciemnego przełomu spowodowanego obecnością grafitu. Własności żeliw szarych zależą nie tylko od struktury osnowy metalicznej, ale również od postaci grafitu.

Żeliwa sferoidalne

Główną wadą żeliw szarych jest ich mała ciągliwość i udarność, spowodowana płatkowym charakterem wydzieleń grafitu. Produktem wyjściowym do wytworzenia żeliwa sferoidalnego jest żeliwo o składzie odpowiadającym żeliwu szaremu, z tym że musi ono być dobrze odsiarczone. Żeliwo sferoidalne zachowuje korzystne własności żeliwa z grafitem płatkowym, ma pewną ciągliwość - aż do 15% i dlatego jest powszechnie stosowane w przemyśle budowy maszyn do wytwarzania kół zębatych, wałów korbowych silników, walców, pierścieni tłokowych. Dzięki wytrzymałości od żeliwa z grafitem płatkowym, jego zastosowanie pozwala na zmniejszenie ciężaru maszyn, a więc na oszczędności materiału a w tracie eksploatacji - energii.

Żeliwa ciągliwe

Należą one do gatunku żeliw mających, jak i żeliwa sferoidalne, pewną ciągliwość, ale w odróżnieniu od nich własności te są im nadawane poprzez odpowiednią obróbkę cieplną, zwaną wyżarzaniem grafityzującym. Elementy po odlaniu muszą mieć strukturę żeliwa białego, a w wyniku grafityzacji następuje rozkład cementytu na grafit wg równania:

Fe₃C3Fe + C(grafit)

Istnieją dwie metody wytwarzania żeliwa ciągliwego. Pierwsza metoda zwana amerykańską, polega na wyżarzaniu odlewów w atmosferze obojętnej. W wyniku tego następuje zmiana postaci występowania węgla, bez zmiany jego ilości w odlewie. W efekcie otrzymujemy żeliwo ciągliwe czarne (nazwa pochodzi od ciemnego przełomu). Druga metoda zwana europejską, polega na wyżarzaniu odlewów w atmosferze utleniającej, dzięki czemu następuje nie tylko rozkład cementytu, ale również dyfuzja węgla do atmosfery. Otrzymane w ten sposób żeliwo nazywamy ciągliwym białym (przełom jasnego koloru).

5.Stale konstrukcyjne węglowe i stopowe (rodzaje) ich zastosowanie..

Stale stopowe.

Stale stopowe można klasyfikować wg różnych kryteriów: zastosowania, struktury, zawartości pierwiastków stopowych. W zależności od przeznaczenia stale muszą się cechować określonym zespołem własności - można je podzielić na trzy grupy:

Stale konstrukcyjne, stosowane do wyrobu części maszyn i konstrukcji. W tej grupie znajdują się stale do nawęglania, azotowania, ulepszania, łożyskowe i sprężynowe oraz stale dla budownictwa. Są to z wyjątkiem stali łożyskowych, stale o małych lub średnich zawartościach węgla i niskostopowe, w których ogólna zawartość pierwiastków stopowych nie przekracza na ogół kilku procent.

Stale narzędziowe, które powinny cechować się możliwie dużą twardością, większą od obrabianego materiału. Zawierają na ogół większe ilości węgla i pierwiastków stopowych. Ostatecznie własności nadaje się im przez hartowanie i odpuszczanie. W grupie tej można wyodrębnić stale narzędziowe do pracy na zimno i gorąco oraz stale szybkotnące.

Podział stali węglowych:

W zależności od sposobu odlewania:

• uspokojone - zawierające dodatki pierwiastków o dużym powinowactwie do tlenu (Si, Al., Mn) w takich ilościach, aby nastąpiło dalsze odtlenienie ciekłych stali

• półuspokojone - wstępne odtlenienie kąpieli przeprowadza się mniejszą ilością odtleniaczy. Wydzielający się tlenek węgla tworzy pęcherze gazowe.

• nieuspokojone - powstaje duża ilość pęcherzy gazowych.

W zależności od przeznaczenia:

• konstrukcyjne - zawierają do ok. 0,7% C

• zwykłej jakości ogólnego przeznaczenia

• wyższej jakości ogólnego przeznaczenia

• narzędziowe - zawierają 0,65 - 1,4% C

Stale zawierające oprócz węgla celowo wprowadzone pierwiastki, niezależnie od ich ilości nazywamy stalami stopowymi.Wprowadzając do żelaza dodatki stopowe możemy zmienić jego własności w szerokim zakresie. Najczęściej stosowanym dodatkiem jest węgiel. Stopy żelaza z węglem nazywamy stalami węglowymi. W zależności od zawartości węgla i stosowanej obróbki cieplnej można nadać im bardzo zróżnicowane własności. Stale węglowe muszą zawierać pewne ilości pierwiastków stopowych takich jak: krzem, mangan, glin koniecznych do zniwelowania szkodliwych domieszek tlenu i siarki. Stale węglowe nie mogą zaspokoić całkowicie wymagań nowoczesnej techniki.

• cechują się małą hartownością, co powoduje, że po ulepszeniu ich struktura a więc i własności ulegają zmianie jedynie na małych głębokościach.

• zahartowane stale mają duże skłonności do zmiany własności podczas odpuszczania; po nagrzaniu szybko tracą twardość a więc nie mogą być stosowane na narzędzia do pracy w podwyższonych temperaturach, lub nagrzewających się podczas pracy.

• stale węglowe w podwyższonych temperaturach ulegają szybkiemu utlenianiu, mają małą odporność na korozję i pełzanie.

Wymienione cechy mogą być usunięte poprzez wprowadzenie do stali odpowiednich dodatków stopowych. Rola pierwiastków stopowych jest bardzo szeroka. Oprócz wymienionych zamian własności, mogą m.in. wpływać na zwiększenie własności wytrzymałościowych, plastyczności w obniżonych temperaturach, na zmniejszenie skłonności do rozrostu ziarna, na położenie temperatur krytycznych oraz punktów M_s i M_f.

6. Stale narzędziowe - ich rodzaje, obróbka cieplna.

Przedmioty wykonane z tych stali służą głównie do kształtowania lub dzielenia materiałów. Nadawanie kształtów może się odbywać przez usuwanie materiału (obróbka skrawaniem) lub odkształcanie (przeróbka plastyczna). Do narzędzi zalicza się takie przedmioty warsztatowe jak: klucze, uchwyty, sprawdziany. Zasadniczym wymaganiem stawianym każdemu narzędziu jest stałość kształtu.

Stal na narzędzia powinna znosić obciążenia bez odkształceń plastycznym oraz wykazywać dużą odporność na ścieranie, zależną głównie od twardości. Wzrostowi twardości po obróbce cieplnej towarzyszy jednak najczęściej spadek udarności. Z tego względu duża twardość narzędzia, która jest zawsze pożądana, musi być w niektórych przypadkach ograniczona.

Stal narzędziową charakteryzują następujące czynniki: skład chemiczny, hartowność oraz skłonność do rozrostu ziarn. Skład chemiczny pozwala na określenie struktury stali, największej (możliwej do osiągnięcia) twardości oraz odporności na zużycie. Twardość stali po hartowaniu zależy od zawartości węgla, a w małym stopniu od hartowności. Hartowność jest natomiast wynikiem oddziaływania pierwiastków stopowych i wielkości ziarna austenitu w chwili rozpoczęcia chłodzenia przy hartowaniu. W stalach stopowych zawartość pierwiastków węglikotwórczych reguluje do pewnego stopnia skłonność stali do rozrostu ziarn.

Wśród stali narzędziowych można wyróżnić:

a). stale narzędziowe do pracy na zimno: służą do wykonywania narzędzi do obróbki materiałów nie nagrzanych (temperatura pracy narzędzia nie powinna przekraczać 250°C]. Stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno produkuje się jako średniowęglowe (0.4-0.55% C) oraz wysokowęglowe (0.75-2.1% C). Stale średniowęglowe są stosowane na narzędzia, które powinny wykazywać zwiększoną plastyczność i odporność na obciążenia dynamiczne, np. matryce, stemple, tłoczniki, rolki do prasowania. Stale wysokowęglowe służą głównie do wyrobu narzędzi skrawających. Podstawowymi dodatkami stopowymi są: Cr, W, V i ewentualnie Mo, nadające stali dużą hartowność i drobnoziarnistą strukturę, wysokie własności wytrzymałościowe, szczególnie zaś odporność na ścieranie przez tworzenie węglików stopowych o dużej twardości i dyspersji. Węgliki te nie rozpuszczone całkowicie podczas austenityzowania przeciwdziałają rozrostowi ziarn austenitu, zapewniając tym samym drobnoziarnistość stali. Wszystkie wymienione pierwiastki powodują również zwiększenie odporności na odpuszczanie. Hartowanie przeprowadza się w wodzie lub oleju z temperatur 770-960[°C], a odpuszczanie w temperaturach 100-320[°C] (wysokowęglowe) lub 350-450[°C] (średniowęglowe). Uzyskiwane twardości: 45-60 HRC.

b). stale narzędziowe do pracy na gorąco: charakteryzują się stosunkowo małą zawartością węgla (0.3-0.55%) i znaczną zawartością pierwiastków stopowych, których maksymalne zawartości w stalach krajowych wynoszą: 9% W, 5% Cr, 4.2% Ni, 1.3% Mo, 0.3% V, 1.4% Mn, 1% Si. Stale te służą do przeróbki plastycznej innych materiałów ogrzanych do wyższych temperatur (temperatura narzędzia nie powinna przekraczać 600[°C]), ponieważ w tym stanie obrabiane metale są plastyczne nie jest wymagana bardzo duża twardość i odporność na ścieranie. Pożądana jest natomiast wytrzymałość na obciążenia dynamiczne w podwyższonych temperaturach. Własności te zapewniają Ni, Si, V. Oprócz tego stale do pracy na gorąco powinny mieć dobre przewodnictwo cieplne i mały współczynnik rozszerzalności. Hartowanie przeprowadza się w oleju z temperatur 770-1120[°C], a odpuszczanie w temp. 300-600[°C] (temperatura pracy nie może być wyższa od temperatury odpuszczania). Ostatnio coraz częściej stosuje się wysokostopowe stale austenityczne umacniane fazami międzymetalicznymi (np. Ni₃AlTi) oraz stale typu maraging.

c). stale szybkotnące: skład chemiczny: 0.6-1.6% C, 3.5-5% Cr, 0-20% W, 0-9% Mo, 1-4% V, 0-10% Co. Wspólną cechą stali szybkotnących jest znaczna zawartość pierwiastków węglikotwórczych, własność zachowywania drobnego ziarna podczas hartowania z temperatur nieznacznie poniżej solidusu, wysoka hartowność, twardość wtórna przy odpuszczaniu w zakresie 500-600[°C], oraz zachowywanie dużej twardości do tego zakresu temperatur. Wolfram jest najważniejszym i najczęściej spotykanym składnikiem stali szybkotnących. nadaje on stali żarowytrzymałość i twardość w podwyższonych temperaturach, wpływa na drobnoziarnistość, hamuje procesy odpuszczania i przeciwdziała przegrzaniu podczas hartowania przez tworzenie wysokodyspersyjnych węglików. Hartowanie przeprowadza się w 1200-1300[°C] (chłodzi się olejem lub sprężonym powietrzem). Występujący przy odpuszczaniu efekt twardości wtórnej jest związany z wydzielaniem się węglików MC i M₂C. Stale szybkotnące stosuje się m.in. na noże skrawające i tokarskie, gdzie wskutek tarcia wydzielają się znaczne ilości ciepła.

7.. Stale, stopy i spieki o szczególnych własnościach wytrzymałościowych i magnetycznych.

STOPY-magnetyczne: miękkie, twarde,; niemagnetyczne.

Miękkie - zalicza się czyste żelazo, stale niskowęglowe, stale krzemowe, stopy żelaza z niklem. Stale krzemowe są podst. materiałem na blachy elektrotechniczne: transformatorowe i prądnicowe. Wąska i smukła pętla histerezy. Stale i stopy magnmet. twarde (szeroka pętla histerezy) są stosowane na magnesy trwałe: stale węglowe 1 - 1.5 C zahartowane, stale stopowe o większej hartowności, stopy Fe z Ni.

Niemagnetyczne - zachowują się obojętnie w polu elektrycznym, są to stale Cr-Ni-Mn lub stale Cr-Mn. Ich obróbka cieplna polega na przesycaniu Spieki o własnościach magnetycznych.

Na drodze metalurgii proszków otrzymuje się gł. materiały magnetycznie twarde(magnesy trwałe). Otrzymywanie ich na drodze spiekania posiada szereg zalet w porównaniu z odlewaniem. Proces jest wydajniejszy, mniejsze straty materiałowe. Na spiekane magnesy stosuje się stopy Fe-Ni-Al. (alni, alniko, magniko) utwardzane dyspersyjnie

8. Stale kwasoodporne (chromowe i chromowoniklowe), ich skład chemiczny, struktury -typowe wady.

stale chromowe - są odporne na korozje w środowiskach utleniających, np. kwasu azotowego, ale nie są odporne na działanie środowisk redukujących, np. kwasu siarkowego, solnego. Silnemu obniżeniu ulega odporność na korozję stali gdy węgiel występuje w postaci węglików.

Odporne na korozję maja strukturę ferrytyczną, austenityczną lub martenzytyczną. Największa odporność wykazują stale austenityczne. Stale o powierzchni chropowatej są mniej oporne na korozję.

chromowo - niklowe - austenityczna, jest wybitnie odporna na korozję, nie działa na nią kwas azotowy, siarkowy i in. Stosuje się dodatki Mo. WADA-skłonność do korozji międzykrystalicznej (wydzielanie się węglików Cr na granicach ziarn)

chromowo-niklowo-manganowe- obniżona zawartość niklu, która została zastąpiona Mn. Odpor. na k. jest nieco gorsza od stali Cr-Ni.

9.Rekrystalizacja metali, stadia, temp. Rekrystalizacji, mechanizm, zależność wielkości ziarna po rekrystalizacji od wielkości zgniotu i temp.

Rekrystalizacja-Istotą rekr.(pierwotnej) jest zarodkowanie w zgniecionym materiale nowych, nieodkształconych ziarn i ich rozrost, aż do całkowitego pochłonięcia obszarów zdefektowanych. Proces ten zachodzi w temp. wyższej niż zdrowienia, zwanej temp. rekr. Własności materiału po rekryst .są w przybliżeniu takie same jak przed zgniotem. Temp. rekryst. jest to temp. oddzielająca zakres zdrowienia od zakresu rekrystalizacji. Zależy od: temp. top: T_k=0,4T_top , czystości materiału: T_r/T_top=k, dla czystych pierw: k=0,1-0,2; dla kompozytów: k=0,8, wraz ze wzrostem zmagazynowanej en. odkszt. T_k spada; im większe ziarna tym T_k jest wyższa; im wyższa T_k tym krótszy czas.

Mechanizm rekrystalizacji: zachodzi ona przez zarodkowanie nowych, nieodkształconych ziarn i ich rozrost, proces ten zachodzi całkowicie w stanie stałym, siłą napędową jest dążenie do obniżenia zmagazynowanej en. odkszt. Zarodki nowych ziarn powstają w miejscach o dużej koncentracji energii (stare granice ziarn, przecięcia bliźniaków) i rozrastają się, aż do zetknięcia.

Wielkość ziarna po rekrystalizacji: zarówno szybkość tworzenia zarodków nowych ziarn V_z, jak i szybkość ich wzrostu V_w zwiększają się ze wzrostem stopnia zgniotu, z tym że czynnikiem kontrolującym jest szybkość zarodkowania. Jeśli jest mała to ziarno jest duże, jeśli natomiast duża to ziarno jest drobne.

Zgniot krytyczny(z_kr)- niewielki zgniot (3-10%) po którym wielkość ziarna po rekrystalizacji jest max. Powodem tego jest mała liczba zarodków powstających po takim zgniocie. Ponieważ struktura gruboziarnista jest na ogół niepożądana, należy unikać przy obróbce plastycznej metali i stopów odkształceń w zakresie z_kr.

Wtórna rekrystalizacja: zwana także anormalnym lub przyspieszonym rozrostem ziarn, polega na szybkim rozroście niektórych ziarn kosztem ziarn sąsiednich. Rozpoczyna się po zakończeniu pierwotnej rekr. w momencie, gdy nastąpi znaczne zróżnicowanie wielkości ziarn, tzn. gdy niektóre ziarna osiągną wielkość ok. dwa razy większą od ziarn sąsiednich. Sprzyja temu rozpuszczanie wydzieleń obcych faz, co umożliwia selektywny rozrost niektórych ziarn.

10 i 12. Cztery podstawowe przemiany fazowe zachodzące w stalach:

Dwie przebiegają przy nagrzewaniu: przemiana perlitu w austenit, która występuje przy austenityzowaniu i przemiana martenzytu w perlit (ściślej mieszaninę ferrytu i węglików), która zachodzi przy odpuszczaniu. Dwie pozostałe związane z chłodzeniem stali to przemiana austenitu w perlit (dyfuzyjna) i przemiana austenitu w martenzyt (bezdyfuzyjna).

Przemiana perlitu w austenit: I przemiana podstawowa Trzy etapy: utworzenie austenitu niejednorodnego, utworzenie austenitu jednorodnego, rozrost ziarna austenitu Istota przemiany: W przypadku nagrzania perlitu powyżej temp. A1 perlit staje się nietrwały termodynamicznie i ulega przemianie w austenit. Przemiana ma charakter dyfuzyjny. Ze wzrostem temp. szybkość tej przemiany szybko rośnie. Jest to efektem wzrostu współczynnika dyfuzji kontrolującej tę przemianę. Ponieważ zarodki powstają na granicach płytek perlitu, jego dyspersja sprzyja zachodzeniu przemiany. Z kolei duża jednorodność austenitu utrudnia powstawanie zarodków i opóźnia przemianę.

Przemiana martenzytu w perlit: Odpuszczanie: polega na nagrzaniu zahartowanej uprzednio stali do temp. niższej od A1 i wytrzymaniu w tej temp. przez czas konieczny do zajścia przemiany. Główną przemianą jaka zachodzi w zahartowanej stali jest rozkład martenzytu, który pozostawał w stanie równowagi metastabilnej w mieszaninę faz złożoną z ferrytu i węglików. Mieszanina taka ma mniejszą energię swobodną niż martenzyt, co jest siłą napędową przemiany. Rozkład martenzytu jest nazywany czwartą przemianą podstawową.

Przemiana austenitu w perlit (dyfuzyjna): II przemiana podstawowa Istota przemiany: Austenit jest nietrwały poniżej temp. A1 i po ochłodzeniu poniżej tej temp. rozpoczyna się przemiana perlityczna, która ma charakter dyfuzyjny. Uważa się, że zarodkami tej przemiany są cząstki cementytu, które mogą zarodkować heterogenicznie na granicach ziarn austenitu. Jeżeli austenit zostanie silnie przechłodzony (poniżej ok. 500-550^oC) wówczas zachodzi przemiana bainityczna, która również ma charakter dyfuzyjny z tym, że zarodkami tej przemiany są cząsteczki ferrytu.

Przemiana austenitu w martenzyt nazywana przemianą martenzytyczną: III przemiana podstawowa. Martenzyt- przesycony roztwór stały węgla w Feα, który jest produktem przemiany bezdyfuzyjnej. W układzie Fe-C przemiana martenzytyczna przebiega tylko jednokierunkowo, podczas gdy w wielu innych stopach jest odwracalna (tzn. przy nagrzewaniu martenzyt zamienia się w austenit). Siłą napędową tej przemiany jest różnica energii swobodnej między austenitem i martenzytem, ale warunkiem powstania martenzytu jest chłodzenie austenitu z taką szybkością, aby nie uległ on wcześniej przemianie w perlit lub bainit. Np. chłodzenie z szybkością ν₁ spowoduje, że najpierw rozpocznie się wydzielanie perlitu, potem bainitu górnego i dolnego, a dopiero część nie przemienionego austenitu przemieni się w martenzyt. Przy chłodzeniu z szybkością ν₂ przemiana zakończy się w zakresie perlitycznym i ochłodzenie próbki poniżej M_s nie spowoduje już żadnej przemiany. Dopiero chłodzenie z szybkością ν_k stwarza możliwość uniknięcia przemiany dyfuzyjnej. Krytyczna szybkość chłodzenia- styczna do krzywej początku przemiany dyfuzyjnej austenitu. Jeśli podstawą do jej wykreślenia jest wykres CTPc to :
.Drugim warunkiem rozpoczęcia przemiany jest ochłodzenie austenitu poniżej określonej temp. zwanej temp. początku przemiany martenzytycznej- M_s. Jest ona stała dla konkretnej stali i nie zależy od zastosowanej szybkości chłodzenia. Warunkiem dalszego przebiegu przemiany jest obniżenie temp. Po przekroczeniu temp. końca przemiany M_f dalsza przemiana nie zachodzi, pomimo że pozostaje jeszcze pewna ilość austenitu nazywanego szczątkowym. Przyczyną nieukończenia przemiany jest znaczny wzrost obj. martenzytu w porównaniu z austenitem (ok.4% przy 1%C), co powoduje ściskanie nie przemienionego austenitu.

11. PRZEMIANY PODCZAS CHŁODZENIA AUSTENITU, CTP_i, CTP_c. Dyfuzyjna przem. austenitu (II przem. podst.). Po ochłodzeniu austenitu poniżej Ar₁ powstaje różnica energii swobodnych, która jest silą napędową tej przem. Początkowo przem. nie zachodzi , jest to tak zwany okres inkubacyjny konieczny do utworzenia się zarodków. Okres ten skraca się w miarę wzrostu przechłodzenia i jest min w temp max szybkości zarodkowania. Następnie szybkość przemiany stopniowo wzrasta osiągając max wartość po przemianie 50% austenitu po czym stopniowo maleje aż do całkowitego zakończenia przemiany. Podobny charakter ma przemiana austenitu w zakresie bainitycznym z tym, że w miarę wzrostu przechłodzenia rośnie zarówno okres inkubacyjny jak i odstęp czasu między rozpoczęciem i zakończeniem.

CTP_i -przem austenitu w warunkach izotermicznych. Występują na nich 4 charakterystyczne linie. Od góry linia A₁ od dołu M_s. Dwie krzywe C oznaczają początek i koniec izotermicznego rozkładu austenitu. Na podstawie tego wykresu można przewidywać skłonność austenitu do przem. dyfuzyjnej i konieczną szybkość chłodzenia do zahartowania stali, jak również strukturę która powstanie w określonej temp. W temp. bliskich Ar₁ powstaje perlit grubopłytkowy, w temp. max szybkości przem. zamienia się on w drobny perlit zwanym trostytem. W zakresie bainitycznym w temp. powyżej 300⁰C otrzymujemy bainit górny, w niższe dolny. W temp. powyżej max szybkości przem. izotermiczny rozkład austenitu poprzedzony jest wydzieleniem się ferrytu lub cementytu. Wykresy te sporządza się za pomocą metod : metalograficznej i twardości. Wykresy te nie są rzeczywistym odbiciem przem. zachodzących w stali przy chłodzeniu ciągłym.

CTP_c (dla chłodzenia ciągłego) sporządza się go metodą dylatometryczną. Na krzywą w układzie: zmiana długości-temp., nanosi się automatycznie znaki czasu, co pozwala określić początek przemiany dla danej szybkości chłodzenia. Na dole wykresów podaje się wartość twardości HV (w kółkach) liczby bez kółek oznaczają procentowy udział składnika strukturalnego. Wykresy te pozwalają przewidywać własności stali po obróbce cieplnej.

13. przemiany podczas odpuszczania stali:

Odpuszcznie - Polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanego materialu do temp poniżej Ac1co prowadzi do usunięcia naprężeń oraz przemian prowadzących do zmniejszenia twardości i wzrostu plastyczności.

• niskie I00=250°C, - średnie 250=450°C, - wysokie 450=600°C.

Odpuszczaniu niskiemu poddaje się głównie narzędzia, ktare powin­ny cechować wysoka twardość i odporność na ściera,nie. Takie odpuszcza­nie nie obniża twardości, ale odpręża mateniał i zmniejsza jego skłonność do kruchego pękania. Odpuszczanie średnie jest stosowane w celu nadania obrabianym ele­mentom wysokiej granicy sprężystośai przy równoczesnysn polepszeniu ich własności plastycznych.. Po średnim odpuszczaniu otrzymuje się strukturę odpuszczonego martenzytu o twardości ak. 450 HB.,Mamy do czynienia kruchość odpuiszczania pierwszego rodzaju (nieodwracalna)( Sb, As, Sn), któ­ra objawia się spadkiem udarności. Przy wysokim odpuszczani w własności wytrzymałościowe (Rm, Re, HB) wyraźnie maleją, a plastyczne wzrastają. Powstaje struktura farrytu i bardzo drobnych, kuli­stych wydzieleń cementytu zwana sorbitem. uzyskuje się optymalną kombinację własności wytrzymałościo­wyeh i plastycznych, tj. dużą udarność i wydłużenie przy znaksymałnym stosunku Re/Rm. Przy wysokim od­puszczaniu stali stapowych konstrukcyj.nych występuje zjawisko zmniej­szenia udarnośoi stali po powolnym chłodzeniu, zwane kruchościq odpu­szczania , drugiego rodzaju (odwracalną)( Mn,Cr,Ni).

Krzywa dylatometryczna : Delta L[mm] od T[C]

1 2 3 4

80,200,280,400 T[C]

- Do 80 stopni C brak przemian, - 1 rozkład martenzytu (skurcz próbki), - 2 prze austenitu szczą w martenzyt odpuszczony (rozszerzenie próbki), - 3 całkowite wydzielenie węgla z przesyconego roztworu alfa i prze węglików epsilon w Fe3C (silny skurcz), - koagolacja cementytu (wzrost ziarna dużego a zanik małego)

15. Powierzchniowe obróbki cieplno-chemiczne nawęglanie i azotowanie - cel, technologia, porównanie własności.

Obróbka cieplno-chemiczna zabieg cieplny mający na celu wprowadzenie danego pierwiastka w warstwę powierzchniową stali lub usunięcie go z niej, co następuje na skutek dyfuzji w odp. ośrodku.

Nawęglanie - polega na nasyceniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w określonym czasie w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Nawęglanie odbywa się w temp. 900-950 C Wyższej od Ac1. O grubości warstwy nawęglanej decyduje czas nawęglania, który dobiera się tak aby skład fazowy warstwy powierzchniowej odpowiadał strukturze stali eutektoidalnej. Rozróżnia się nawęglanie: w ośrodkach stałych, w roztopionych solach, gazowe, próżniowe, jonizacyjne. Obróbka cieplna stosowana po nawęglaniu ma na celu:

-utwardzenie warstwy nawęglonej do ok. 60 HRC, zapewnienia znacznej ciągliwości, odporności na dynamiczne działanie obciążeń oraz własności wytrzymałościowych w nie nawęglonym rdzeniu.

Własności: duża twardość , odporność na ścieranie, znaczna wytrzymałość zmęczeniowa.

Azotowanie - polega na nasyceniu warstwy powierzchniowej stali azotem podczas ogrzewania obrabianego przedmiotu przez określony czas zawierającym wolne atomy azotu. Jest wykonywane w temp. niższej od Ac1. Może być krótko i długookresowe. Przy stałej temp. azotowania , struktura warstw wierzchnich zależy od czasu. Azotowanie : w proszkach, gazach, fluidach, jonizacyjne. Obróbka cieplna jest ostatnią operacją w procesie technologicznym. Poddaje się jemu przedmioty zahartowane i odpuszczone, najkorzystniej w temp. wyższej od temp. azotowania. Przedmioty azotowane nie mogą być poddawane szlifowaniu ze wzgl. na małą grubość warstwy azotowanej.

azotowanie jest kosztowniejsze od nawęglania, stosuje się do części bardziej twardych, odpornych na ścieranie przy zwiększonej wytrzymałości i odporności korozyjnej.

16. Aluminium i jego stopy.

Al krystalizuje w sieci A₁, ma dużą plastyczność temperatura topnienia 660^oC, gęstość 2,7g/cm³.

Stopy aluminium dzielimy na: odlewnicze, do obróbki cieplnej

Do stopów odlewniczych zaliczamy: siluminy jest to aluminium z krzemem, tworzy on układ eutektyczny z ograniczoną rozpuszczalnością krzemu (1,65%) i bardzo małą rozpuszczalnością aluminium w krzemie. Eutektyka występuje w stopie o zawartości 12,6%. Stopy te modyfikujemy sodem (stopy podeutektyczne) oraz fosforem (stopy nadeutektyczne). Mogą one zawierać dodatki: Cu, Mg, M. Tworzą one eutektyki ω-np.CuAl₂.
Stopy do obróbki plastycznej zawierają: magnez, mangan, lub miedź, magnez i mangan. Stopy z miedzią obrabia się utwardzaniem wydzielinowym. Eutektyka zawiera 33% Cu i składa się z roztworu ω i fazy międzymetalicznej CuAl₂ ( Θ ). Najlepszymi własnościami wytrzymałościowymi charakteryzują się durale. Składają się z : 4% Cu, 1% Mg, 1%Mn. Obrabia się je cieplnie poprzez starzenie i przesycanie. Stosujemy również stopy do pracy w podwyższonej temperaturze. Zawierają one : CU, Mg, Ni, Ti, Fe, Cr, Zr.

17. Miedź i jej stopy.

Krystalizuje w sieci A1, nie ma odmian alotropowych, temperatura topnienia wynosi 1083^°C, gęstość 8,9 g/cm³. Jako pierwiastki stopowe stosujemy: cynk, cynę, aluminium, beryl, krzem, nikiel, mangan, ołów. Stop Cu-Zn nazywamy mosiądzem. Mosiądze obrabia się plastycznie na zimno (przez zgniot ), plastycznie na gorąco (wyciskanie, walcowanie, ciągnienie). Stopy odlewnicze zawierają dodatki: Pb, Mn, Al., Fe, i Si. Stop Cu-Sn jest to brąz cynowy. Dzielimy je na: odlewnicze, do przeróbki plastycznej.

Stopy odlewnicze cechują się małym skurczem, nie występują jamy wsadowe ( zawiera rzadzizny ). Zawartość

Sn wynosi ok. 10%. Dodatek fosforu odtlenia stop, utwardza go, obniża plastyczność.

Do przeróbki plastycznej stosuje się brązy o niższej zawartości Sn (4÷6 ). Przed obróbka plastyczną poddaje się je wyżarzaniu ujednorodniającemu. Obrabia się je plastycznie na zimno oraz na gorąco.

Występują jeszcze brązy: aluminiowe ( 5÷10% Al. ), ołowiowe ( ok. 30% Pb ), krzemowe. berylowe ( ok. 2% Be ), manganowe ( 5÷10 % Mn )

---