OCIP2.doc

2. Podać definicję i własności faz występujących w układzie Fe-Fe3C

4. Podać definicje i własności struktur występujących w układzie Fe-Fe3C

Ferryt – stop żelaza z węglem będący międzywęzłowym roztworem stałym węgla lub innych pierwiastków w odmianie alotropowej α żelaza (α-Fe). Tworzy sieć krystaliczną typu sieci wewnętrznie centrowanej A2[1]. Ferryt charakteryzuje niska zawartość węgla, w temperaturze pokojowej maksymalnie 0,008%, a w temperaturze przemiany austenitycznej (723 °C), 0,02%. W obecności węgla tworzy węglik żelaza Fe3C - cementyt.

Ferryt jest materiałem miękkim i ciągliwym, mniej wytrzymałym i mniej twardym, ale bardziej plastycznym niż austenit. Wykazuje właściwości ferromagnetyczne do temperatury Curie wynoszącej 768 °C, w której przechodzi w odmianę paramagnetyczną.

Austenit – międzywęzłowy roztwór stały węgla oraz innych dodatków stopowych w żelazie γ (gamma; odmianie alotropowej żelaza). Rozpuszczalność węgla w austenicie bez dodatków stopowych nie przekracza 2,11% (w temperaturze 1148 °C - punkt E na wykresie równowagi Fe-Fe3C). Austenit nie zawierający poza węglem innych dodatków stopowych jest stabilny tylko w temperaturach powyżej 727°C (tzw. punkt eutektoidalny - punkt P na wykresiesie równowagi Fe-Fe3C.

Austenit jest bardziej wytrzymały i mniej plastyczny niż ferryt. Jest paramagnetykiem.

Cementyt (węglik żelaza, Fe3C lub Fe2C:Fe) – jedna z podstawowych faz międzymetalicznych z grupy węglików, występującą w stopach żelaza z węglem i innymi pierwiastkami. Cementyt jest materiałem twardym i kruchym, posiada strukturę krystaliczną rombową, jest fazą metastabilną o zawartości węgla do 6,67%. Posiada liczne wiązania metaliczne, co sprawia, że posiada własności metaliczne.

W zależności od zawartości węgla w stopie można rozróżnić:

    * cementyt pierwotny, wydzielający się przy krzepnięciu stopów o zawartości 4,3-6,67% węgla z roztworu ciekłego ubożejącego w węgiel, w postaci grubych igieł

    * cementyt wtórny, wydzielający się z austenitu wskutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla. Cementyt wtórny może wydzielać się w postaci igieł, siatki na granicach ziaren perlitu oraz jest jego składnikiem.

    * cementyt trzeciorzędowy, wydzielający się z ferrytu na skutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla wraz ze spadkiem temperatury.

Perlit – mieszanina eutektoidalna ferrytu z cementytem zawierająca 0,77% węgla. Powstaje podczas przemiany eutektoidalnej w temperaturze 727°C.

Ledeburyt – mieszanina eutektyczna austenitu γ z cementytem (lub perlitu z cementytem – ledeburyt przemieniony) , zawierająca dokładnie 4,3% węgla. Ledeburyt powstaje w krzepnącym ciekłym roztworze żelaza z węglem, gdy zawartość węgla jest w granicach 2,06% – 6,67%, w temperaturze 1147 °C. Ledeburyt jest stabilny do temperatury 727 °C, poniżej której rozpada się austenit. Ledeburyt przechodzi wtedy w tzw. ledeburyt przemieniony. Staje się wtedy podwójną eutektyką. Pierwotnie występujący w niej cementyt, zachowuje swą formę, a austenit rozpada się na

mieszaninę perlitu i cementytu.

5. Narysuj ogólny schemat obróbki Cieplnej i zaznacz podstawowe zabiegi.

6. Klasyfikacja rodzajów obróbki Cieplej

7. Przemiana perlityczna

Niewielkie przechłodzenia poniżej 727 stopni C powodują, że austenit ulega przemianie perlitycznej (dyfuzyjna przemiana perlityczna [Dyfuzja - proces bezładnego ruchu elementów układu prowadzący do ustalenia się równowagi koncentracji.]), która jest szczególnym przypadkiem przemiany eutektoidalnej.
Zachodzi ona w stanie stałym, roztwór stały węgla w żelazie γ(austenit) ulega rozpadowi na mieszaninę faz - ferrytu i cementytu o budowie płytkowej.
Przemiana perlityczna przebiega przez zarodkowanie i wzrost zarodków jest więc dyfuzyjna i zależy od czasu (do jej rozpoczęcia oraz przebiegu konieczne jest przegrupowanie atomów węgla drogą dyfuzji). Siłą napędową tej przemiany jest różnica enegii. Wzrost przechłodzenia powiększa szybkość napędową przemiany i hamuje dyfuzję węgla. Własności mechaniczne zależą od szybkości chłodzenia lub temperatury przemiany izotermicznej.
Można wyróżnić dwa produkty tej przemiany w zależności od temperatury jej przebiegu:

Temperatura 727-680 -- Perlit gruby
Temperatura 680-500 -- Perlit drobny

8. Przedstaw wykreślnie zależność wielkości ziarna stali od temperatury.

9. Sposób przeprowadzenia i cel następujących rodzajów wyżarzania: ujednorodniającego, normalizującego, zupełnego, zmiękczającego, rekrystalizującego, odprężającego.

Operacje wyżarzania- przez wyżarzanie rozumiemy zabieci cieplne, które w mniejszym lub większym stopniu prowadzą do stanu równowagi termodynamicznej w obrabianym stopie. Są to najczęściej: nagrzewane do określonej temperatury, wygrzewane i chłodzone.

Wyżarzanie ujednoradniające- polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do linii solidus, wygrzewaniu w tej temperaturze aż do zajścia dyfuzji i wyrównaniu składu chemicznego oraz chłodzeniu.

Wyżarzanie normalizujące- polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn 30-40ºC powyżej linii GSE i następnie stłudzeniu na wolnym powietrzu, w celu rozdrobnienia ziarn i ujednoliceniu struktury.

Wyżarzanie zupełne- prowadzi do wytworzenia struktury zbliżonej do stanu równowagi. Polega na austenityzowaniu stali, jak przy normalizowaniu, i następnie studzeniu w piecu. Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości i naprężeń wewnętrznych oraz zwiększenie ciągliwości stali.

Wyżarzanie sferoidyzujące- zwane również zmiękczajacym, polega na przemianie cementytu płytkowego w kulkowy, co prowadzi do zmniejszania twardości stali i poleprzeniu obrabialności mechanicznej.

Wyżarzanie rekrasltylizujące- stosowanie po uprzednim zgniocie, przeprowadza się w temperaturze poniżej Ac1, ale powyżej temperatury rekrystalizacji w celu usunięcia skutków zgniotu.

Wyżarzanie odprężajace- polega na wygrzaniu wyrobów do temperatury poniżej Ac1(zwykle poniżej 650ºC), wygrzaniu w tej temperaturze a następnie studzeniu. Celem obrobki jest zmniejszenie naprężeń wewnętrznych bez wywołania zmian strukturalnych. Odmianą tego wyżarzania jest wyżarzanie stabilizowane, które przeprowadza się w temperaturze poniżej 150ºC w celu zmniejszenia naprężeń własnych. Przeprowadza się również stabilizowane naturalne w temperaturze otoczenia przez długi czasu.


10. Na czym polega hartowanie stali?

Hartowanie jest zabiegiem cieplnym, polega na nagrzaniu stopu do temperatury stanu austenitycznego, wygrzewaniu w celu uzyskania jednakowej temperatury w całej masie materiału oraz dostatecznie szybkim chłodzeniu. Podstawowe ośrodki chłodzące stosowane w hartowaniu to: woda i roztwory wodne, oleje, stopione sole lub metale oraz sprężone powietrze.

Istotna w procesie hartowania jest szybkość schładzania. Zbyt wolne schładzanie powoduje wydzielanie się cementytu i uniemożliwia przemianę martenzytyczną, natomiast zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstanie zbyt dużych naprężeń hartowniczych, które mogą doprowadzić do trwałych odkształceń hartowanego elementu a nawet jego pęknięć. Od prędkości schładzania zależy także głębokość hartowania zaś głębokość hartowania jest uzależniona także od hartowności stali.

11. Podaj cel i rodzaje hartowania.

Hartowanie objętościowe(na wskroś)- polega na nagrzaniu elementu na wskroś i może być realizowane z różnymi prędkościami studzenia. Wyróżniamy:

--Hartowanie zwykłe - Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do zakresu austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne, niż w oleju.

--Hartowanie stopniowe - Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle ze stopionej saletry, do temperatury nieco powyżej temperatury przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, by nastąpiło wyrównanie temperatur w całym przekroju przedmiotu. W drugiej fazie, już w kąpieli wodnej lub olejowej, następuje dalsze schładzanie, w celu uzyskania przemiany martenzytycznej. Zaletą tej metody jest uniknięcie naprężeń hartowniczych. Wymaga jednak dużej wprawy przy określaniu czasu kąpieli pośredniej.

--Hartowanie izotermiczne - Jest hartowaniem, w którym nie zachodzi przemiana martenzytyczna. Nagrzany przedmiot utrzymuje się w kąpieli z roztopionej saletry lub ołowiu, w temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej. Nazwa metody pochodzi od faktu, iż kąpiel zachowuje stałą temperaturę. W hartowaniu tego typu nie powstaje martenzyt, lecz następuje rozpad austenitu na inne fazy, np. bainit, dając stali własności podobne jak po hartowaniu z odpuszczaniem. Zaletą metody jest brak naprężeń hartowniczych, lecz jest ona procesem długotrwałym, niekiedy przeciągającym się do kilku godzin.


Hartowanie powierzchniowe - metoda, w której, nie nagrzewa się całego przedmiotu (hartowanie na wskroś) lecz tylko powierzchnie przedmiotu. W związku z tym tylko warstwa powierzchniowa podlega hartowaniu. Stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest utwardzenie tylko fragmentów powierzchni przedmiotu. Istnieje kilka metod hartowania powierzchniowego

(indukcyjne - przedmiot przeciągany jest przez cewkę, otaczającą go, prądy wirowe, powstałe w przedmiocie, powodują efekt powierzchniowy, w którym, wskutek oporności materiału, zamieniają się na ciepło, bezpośrednio za cewką podąża element który silnym strumieniem wody schładza przedmiot istnieje możliwość kontrolowania temperatury oraz głębokości nagrzewania,

płomieniowe - powierzchnia przedmiotu lub jej fragment nagrzewana jest płomieniem palnika, a następnie schładzana silnym strumieniem wody,

kąpielowe - polega na zanurzeniu przedmiotu w kąpieli saletrowej lub ołowiowej i przetrzymaniu w niej na krótką chwilę, temperatura kąpieli musi być na tyle wysoka, by w jej czasie powierzchnia przedmiotu podniosła się ponad temperaturę przemiany austenitycznej,

laserowe, kontaktowe, elektrolityczne, impulsowe).

Cel hartowania - Celem zabiegu jest uzyskanie struktury martenzytycznej o dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie, powodującą jednak znaczą kruchość i naprężenia własne.(usuwa się je przez zastosowanie odpuszczania po hartowaniu).

12. Definicja i własności martenzytu.

Definicja martenzytu – martenzyt jest przesyconym roztworem węgla w żelazie α. Martenzyt zawiera tyle węgla ile zawierał austenit, z którego powstał. Martenzyt jest twardy i kruchy

Martenzyt – metastabilna faza stopu żelaza α (alfa) i węgla powstała podczas szybkiego schłodzenia z prędkością większą od prędkości krytycznej z temperatury w której występuje austenit.

Martenzyt ma strukturę iglastą. Ziarna obserwowane pod mikroskopem na zgładzie mają kształt igieł przecinających się pod kątem 60° i 120°. W rzeczywistości martenzyt posiada strukturę listwową lub igłową. Listwy występują najczęściej w postaci pakietów składających się z wielu listew. Martenzyt jest fazą bardzo twardą i kruchą, powstaje w czasie hartowania stali. Rodzaje martenzytu: Martenzyt listwowy- kryształy mają kształt listew. Martenzyt płytkowy- występuje tylko w niektórych stopach żelaza. Płytki mają kształt soczewek oddzielonych austenitem szczątkowym

13. Cechy przemiany martenzytycznej.

– przemiana jest przemianą bezdyfuzyjną, polega na przebudowie regularnej ściennie centrowanej sieci austenitu na tertagonalną przestrzennie centrowaną sieć martenzytu. Zachodzi w zakresie temperatury, gdzie dyfuzja atomów żelaza i węgla jest „zamrożona”.

– przemiana zachodzi w zakresie temperatury od Ms do Mf , temperatury Ms i Mf nie zależą od szybkości chłodzenia, a od stężenia węgla i dodatków stopowych,

– przemiana zachodzi (postępuje) tylko przy ciągłym obniżaniu temperatury,

– istnieje zależność orientacji krystalograficznej sieci martenzytu i austenitu,

– martenzyt ma postać listew powstających przez poślizg w stalach nisko i średniowęglowych, lub  płytek powstających przez bliżniakowanie w stalach wysokowęglowych i niektórych stopowych. Na zgładach metalograficznych obserwujemy listwy i płytki w postaci igieł.

– przemiana postępuje przez tworzenie się nowych igieł (listew/płytek), a nie rozrost poprzednio utworzonych. Wzrost każdej igły przebiega z dużą prędkością – prędkością rozchodzenia się dźwięku w stali, tj. ok. 1 km/s,

– tworzące się igły nie mogą przecinać granic ziarn austenitu ani innych płytek, ułożone są pod kątami 60 ° i 120°,

– naprężenia rozciągające i odkształcenie plastyczne ułatwiają przemianę martenzytyczną,

– naprężenia ściskające hamują przemianę i nie zachodzi ona do końca - część austenitu pozostaje, jako austenit szczątkowy,

– przemiana jest w stalach przemianą nieodwracalną.

14. Definicja i własności bainitu.

Definicja bainitu - bainit jest mieszaniną przesyconego węglem ferrytu i dyspersyjnych węglików.

Przemiana ta ma charakter pośredni pomiędzy przemianą perlityczną (dyfuzyjną) a martenzytycną (bezdyfuzyjną),rozpoczyna się po przechłodzeniu stali do temperatur Bs i Bf -odp. początek i koniec przemiany tj .550 - 300C – bainit (z uwagi na niskie temp przem.) jest mieszaniną przesyconego Fea węglem i wydzieleń węglików o budowie iglastej-mikroskopowo

15. Cechy przezmiany bainitycznej.

Cechy charakterystyczne przemiany bainitycznej:
przemianę poprzedza okres inkubacji, w którym zachodzi zmiana stężenia węgla w austenicie,
zarodkowanie bainitu jest heterogeniczne i rozpoczyna się w obszarach ubogich w węgiel, które przechodzą w ferryt w wyniku termicznej przemiany martenzytycznej
rozrost bainitu jest kontrolowany dyfuzją, od której zależy szybkość przemiany
z obszarów bogatych w węgiel wydzielają się węgliki
mechanizm przemiany bainitycznej zależy od temperatury

16. Narysuj i opisz wykres CTPc lub CTPi dla stali: podeutektoidalnej, eutektoidalnej, nadeukttektoidalnej.

W stalach podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych przemiana perlityczna poprzedzona jest innymi przemianami strukturalnymi. W stali podeutektoidalnej z austenitu tworzy się najpierw ferryt, a w stalach nadeutektoidalnych przed rozpoczęciem przemiany perlitycznej wydziela się z austenitu cementyt (rys. 3). Dalsza przemiana perlityczna przebiega podobnie, jak w stali eutektoidalnej. Na rysunku 3 podany jest schematycznie wykres CTPi, dla stali węglowej podeutektoidalnej, na którym naniesiono dodatkowe linie przemian izotermicznych (dla różnych temperatur) prowadzących do powstania odpowiednich struktur. Z kolei rys. 4 przedstawia wykres dla tej samej stali ale przy chłodzeniu ciągłym (CTPc); zaznaczono również linie chłodzenia prowadzące do powstania różnych struktur.

Rys. 3 Wykres CTP dla stali: a) podeutektoidalnej, b) nadeutektoidalnej

Rys. 2 Wykres izotermicznych przemian austenitu dla stali eutektoidalnej; A - austenit, P - perlit, B - bainit, M-martenzyt

17. przemiany zachodzące podczas odpuszczania stali.

Podczas wygrzewania w temperaturze niższej od A1 stali uprzednio zahartowanej zachodzą następujące przemiany:

- rozkład martenzytu,

- przemiana austenitu szczątkowego w fazę α,

- wydzielanie węglika ε i cementytu w stalach węglowych oraz innych węglików w stalach stopowych,

- koagulacja węglików wydzielonych we wcześniejszych stadiach odpuszczania.

18. Rodzaje odpuszczania.

Rodzaje odpuszczania ze względu na temperaturę:

    * Odpuszczanie niskie

    Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 150–250 °C. Celem jego jest usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości. Stosuje się przy narzędziach.

    * Odpuszczanie średnie

    Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 250°–500 °C. Stosowane w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości. Stosowane przy obróbce sprężyn, resorów, części mechanizmów pracujących na uderzenie np. młoty, części broni maszynowej, części samochodowych itp.

    * Odpuszczanie wysokie

    Przeprowadza się je w temperaturach powyżej 500 °C w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki skrawaniem.

Podczas odpuszczania występuje kruchość odpuszczania, którą dzieli się na:

    * kruchość odpuszczania I rodzaju – kruchość nieodwracalna, występuje w zakresie temperatur 250-450 °C, powoduje zmniejszenie odporności na pękanie

    * kruchość odpuszczania II rodzaju – kruchość odwracalna, występuje powyżej 500 °C i powolnym chłodzeniu

19. Co to jest ulepszanie cieplne?

Ulepszanie cieplne – jest zabiegiem cieplnym polegającym na połączeniu hartowania z wysokim odpuszczaniem. Stosowany na odpowiedzialne wyroby stalowe, które poddawane są obróbce skrawaniem, takie jak wały okrętowe i samochodowe, wały korbowe, części broni maszynowej itp.

20. Podaj definicje hartowności i utwardzalności.

Pojęcie hartowności

Większość części maszyn wykonywana jest ze stali do ulepszania cieplnego.

Dla określania przydatności stali do tej obróbki cieplnej służą próby

hartowności.

Hartowność - jest to zdolność stali do hartowania się w głąb na strukturę martenzytyczną. Miarą hartowności jest głębokość warstwy zahartowanej.

Pojęciem odrębnym od hartowności jest utwardzalność - czyli zdolność stali do utwardzania się, wyrażona największą twardością możliwą do uzyskania w danych warunkach.

W stalach utwardzalność zależy głównie od zawartości węgla, ponieważ pierwiastki stopowe nie wpływają na maksymalną twardość martenzytu.

21. Czynniki wpływające na hartowność

Skład chemiczny – pierwiastki rozpuszczone w austenicie

Węgiel i składniki stopowe poza kobaltem zwiększają hartowność poprzez zmniejszenie krytycznej szybkości chłodzenia.

Pierwiastki rozpuszczające się w ferrycie, jak: Ni, Si, Mn i inne przesuwają krzywe początku przemian na wykresach CTPc w prawo, zwiększając zakres trwałości austenitu przechłodzonego. Wyjątek stanowi kobalt przesuwający krzywe w lewo.

Składniki węglikotwórcze, jak: Cr, Mo, V, W mają działanie dwojakie:

- zmieniają kształt i charakter wykresu oraz przesuwają krzywe rozpadu austenitu przechłodzonego w prawo,

- zwiększając równocześnie hartowność.

Szczególnie duży wpływ na zwiększenie hartowności ma mikrododatek boru. Bor w ilości 0,0025 — 0,0040% znacznie zwiększa hartowność stali.

Wielkość byłego ziarna austenitu

Im większe ziarno austenitu, tym większa jest głębokość hartowania.

Wzrost wielkości ziarna austenitu powoduje, że zmniejsza się powierzchnia granic ziaren przypadająca na jednostkę objętości. Granica ziarna stanowi defekt struktury krystalicznej stopu, który jest uprzywilejowanym miejscem zarodkowania produktów przemian dyfuzyjnych przechłodzonego austenitu. Zwiększenie wielkości ziarna zwiększa więc trwałość tego austenitu.

Jednorodność austenitu

Niejednorodny austenit szybciej ulega przemianom, ponieważ o prędkości

przemiany decyduje mniej nasycona pierwiastkami część austenitu, która ulega przemianom jako pierwsza.

Dlatego podczas hartowania, przed oziębianiem, należy wsad wygrzać w temperaturze hartowania przez określony czas dla ujednorodnienia składu chemicznego austenitu.

Nierozpuszczone cząstki  innych faz

Cząstki te przyśpieszają dyfuzyjne przemiany przechłodzonego austenitu,

ponieważ stanowią dodatkowe miejsca zarodkowania powstających faz.

Nierozpuszczone węgliki i azotki hamują rozrost ziarna austenitu oraz zubożają austenit w pierwiastki stopowe i węgiel, co również wpływa na zmniejszenie hartowności.

22. Badanie hartowności metodą hartowania od czoła(Jominy'ego)

Metoda doświadczalno-wykreślna - obecnie najczęściej stosowana, oparta jest na próbie hartowania od czoła Jominy'ego (1938).

Próba hartowności metodą hartowania od czoła wykonywana jest wg:

- PN-EN ISO 642: Stal. Badanie hartowności metodą oziębiania od czoła (próba Jominy’ego),

- PN-79/H-04402.

Polega ona na oziębieniu strumieniem wody czołowej powierzchni próbki walcowej oraz pomiarze twardości wzdłuż zeszlifowanej tworzącej próbki.

Wynik badania przedstawia się w postaci krzywej twardości próbki w funkcji odległości od jej powierzchni czołowej.

Poza dużą prostotą i powtarzalnością wyników zaletą tej metody jest duży zakres zmienności szybkości chłodzenia na długości próbki od 350 do 2°C/s. Umożliwia to analizę zachowania się stali w różnych warunkach chłodzenia oraz badanie gatunków stali konstrukcyjnych o szerokim zakresie hartowności.

Przyjmując za kryterium idealną średnicę krytyczną, wyróżnia się cztery grupy stali:

1) o małej hartowności D0 < 50 mm,

2) o średniej hartowności D0 = 50÷80 mm,

3) o dużej hartowności D0 = 80÷150 mm,

4) o bardzo dużej hartowności D0 > 150 mm.

Hartowność jest jedną z najważniejszych cech użytkowych stali, stanowi bowiem główne kryterium doboru stali konstrukcyjnych i podstawę opracowania technologii ich obróbki cieplnej.

Obecnie skład chemiczny stali konstrukcyjnych dobierany jest pod względem zapewnienia określonej hartowności.

Pozwala to na racjonalny dobór stali w zależności od przekroju hartowanego elementu, tak aby nastąpiło jego zahartowanie na wskroś.