Jakie są podstawowe własności metali i stopów ?



Pobieranie 472,16 Kb.
Strona4/6
Data14.02.2018
Rozmiar472,16 Kb.
1   2   3   4   5   6

Pytanie nr. 9.5


W jaki sposób są otrzymywane i jakie jest praktyczne zastosowanie wykresów przemian austenitu przechłodzonego przy chłodzeniu izotermicznym i ciągłym.

Wykresy rozpadu austenitu przy chłodzeniu ciągłym lub izotermicznym ujmują ilościowo wyniki przemian przechłodzonego austenitu. Badanie przemian austenitu przy chłodzeniu ciągłym jest trudne z powodu zmienności procesów przy obniżaniu temperatury. W warunkach przemysłowych chłodzi się najczęściej w sposób ciągły. Charakterystyczne punkty przemian austenitu zależą od szybkości chłodzenia . Stal chłodzona z szybkością mniejszą od V1 podlega poniżej temperatury Ar3 przemianie austenit—ferryt, zaś poniżej temperatury Ar1— przemianie austenit—perlit. Punkt przemiany perlitycznej, której towarzyszy znaczny efekt cieplny (stąd wzrost temperatury), podobnie jak przy krzepnięciu przechłodzonej cieczy, oznaczony jest symbolem Ar’ . Gdy szybkość chłodzenia zwiększa się do v2, austenit zostaje przechłodzony do niższych temperatur, zaś przemiana austenit—ferryt zostaje całkowicie zahamowana; zachodzi jedynie przemiana perlityczna. Przy dalszym zwiększeniu szybkości chłodzenia do v3 występuje oprócz przystanku Ar’ tworzenia się perlitu, nowy punkt załamania w zakresie niskich temperatur — Ms, odpowiadający przemianie Ar’’’. Cały więc austenit nie rozpada się na perlit, lecz część jego zostaje przechłodzona do niższych temperatur, gdzie przemienia się w martenzyt. Dalsze zwiększenie szybkości chłodzenia do V4 obniża temperaturę przemiany w wyższych temperaturach, przy czym efekt cieplny jest o wiele mniejszy. Tę przemianę określa się jako przemianę Ar” (austenit—bainit), drugi punkt załamania na krzywej odpowiada przemianie Ar’’’ . Przy szybkościach jeszcze większych V5 i V6 w zakresie wyższych temperatur nie zachodzą żadne przemiany, jedynie w niższym zakresie rozpoczyna się przemiana Ar’’’. Punkty charakterystyczne przemian można również przedstawić w układzie temperatura przemiany-szybkość chłodzenia . Górna krzywa w części „wysokotemperaturowej" odpowiada przemianie perlitycznej, w części zaś „niskotemperaturowej" — przemianie bainitycznej. Prosta Ar’’’ odpowiada przemianie austenit-martenzyt. Zakresy przemiany perlitycznej i bainitycznej w stalach węglowych nie są ściśle oddzielone od siebie.

Wykresy przemian przy chłodzeniu ciągłym nie są jeszcze dostatecznie rozpowszechnione. Dlatego w wielu przypadkach korzysta się z wykresów

otrzymanych w warunkach izotermicznych zwanych krzywymi CTPi (czas, temperatura, przemiana). Krzywe te obrazują izotermiczny rozpad austemitu w zależności od temperatury ośrodka chłodzącego oraz czasu wytrzymania w nim przedmiotu hartowanego. Krzywe CTPi można wykreślić korzystając z badań mikrostruktury, dylatometrycznych, magnetycznych, elektrycznych. Wykresy te obrazują stopień rozkładu austenitu przy stałych temperaturach w zależności od czasu. Trwałość przechłodzonego austenitu zmienia się w zależności od temperatury. Przy małych przechłodzeniach trwałość austenitu stali eutektoidalnej jest duża, a następnie zmniejsza się (minimum występuje w temperaturze ok. 550°C, przy której krzywa najbardziej zbliża się do osi temperatur), po czym znowu trwałość jest coraz większa aż do temperatury ok. 210°C, po-niżej której przechłodzony austenit przechodzi w martenzyt. Pomiędzy krzywymi początku i końca przemiany znajduje się obszar zawierający mieszaninę austenitu przechlodzonego i produktów jego rozpadu. Od krzywej końca przemiany rozciąga się obszar produktów rozpadu austenitu. Wykres CTP można podzielić na trzy zakresy odpowiadające różnym przemianom: -zakres najwyższy od temperatury Ar1 do ok. 500°C odpowiada prze-mianie austenitu w perlit.

- drugi zakres pośredni od temperatury 500 do 210°C odpowiada przemianie austenit — bainit.

-trzeci zakres najniższych temperatur odpowiada przemianie martenzytycznej. Linia Ms przedstawia początek tworzenia się martęzytu.


Pytanie nr. 9.6Jakie przemiany zachodzą podczas odpuszczania stali węglowych i stopowych?. Jakie są przyczyny kruchości odpuszczania?.

Zjawiska zachodzące w metastabilnej .strukturze zahartowanej stali nazwano odpuszczaniem. Najogólniej stal po zahartowaniu wykazuje strukturę: martenzyt, austenit szczątkowy oraz węgliki (w stalach nadeutektoidalnych i stopowych). Spośród wymienionych składników strukturalnych tylko cementyt stanowi strukturę trwałą w niskich temperaturach, natomiast martenzyt i austenit są metastabilne.W procesach zachodzących przy nagrzewaniu, metastabilne składniki ulegają zmianom strukturalnym zależnym od temperatury odpuszczania. W każdym z tych stadiów, w wąskim zakresie temperatur zachodzą charakterystyczne zmiany strukturalne w dość krótkich czasach tak, że dłuższe izotermiczne wytrzymanie w określonej temperaturze jest niecelowe, ponieważ prowadzi jedynie do niewielkich i nieistotnych zmian. Dopiero podwyższenie temperatury umożliwia wystąpienie nowych zjawisk związanych z następnym stadium odpuszczania. Poszczególne zakresy temperaturowe odpuszczania zależą od składu stali i szybkości nagrzewania. W stalach węglowych przy szybkości nagrzewania 10°C/min wyróżnia się następujące zakresy temperaturowe odpowiadające określonym zmianom strukturalnym: 100—200°C, 250—325°C, 325—400°C, > 400°C.W poszczególnych zakresach temperatur odpuszczania zachodzą zjawiska związane z wydzielaniem z roztworu przesyconego węgla i składników stopowych, rozpadem austenitu szczątkowego oraz zmianami w substrukturze roztworu. W zakresie niskotemperaturowego rozpadu martenzytu (do 200°C) następuje wydzielanie z roztworu: węglika epsilon , niewielkiej ilości zdeformowanego węglika Fe3C oraz tzw. węglika n).


W górnym zakresie niskotemperaturowego rozpadu (100—200°C) może wydzielać się także niskotemperaturowy — zdefektowany węglik Fes3C, o sieci rombowej i parametrach różniących się od cementytu równowagi. Wydzielanie węglika epsylon jest charakterystyczne dla stali 'o zawartości > 0,2°/oC i występuje przeważnie w obszarach martenzytu listwowego, zaś zdefektowany cementyt tworzy się w martenzycie płytkowym. Przy dużych zawartościach > 0,8% C stwierdzono występowanie w zakresie niskotemperaturowym węglika n}, o składzie Fe2C i sieci romboedrycznej, wykazującego także określoną orientację względem osnowy. W zakresie 250—325°C zarodkuje i rozrasta się węglik Fe3C, kosztem węgla związanego z dyslokacjami. Płytkowe wydzielenia cementytu mają w martenzycie płytkowym płaszczyznę habitus (112)alfa , zaś w martenzycie listwowym (110)alfa. Równolegle z zarodkowaniem cementytu węglik epsilon przechodzi w Fe3C. Struktura stali odpuszczonej w zakresie 200—300°C składa się więc z ferrytu nieznacznie przesyconego i węglików i submikroskopowych i nazywana jest niskoodpuszczanym martenzytem, zaś jej twardość wynosi ok.500 HB. W zakresie 325—400°C przebiegają zjawiska przebudowy zdefektowanego cementytu w cementyt równowagi i jego submikroskopowa koagulacja i sferoidyzacja. Odpuszczanie w zakresie 450—600°C prowadzi do zmian w substrukturze martenzytu związanych z poligonizacją i rekrystalizacją osnowy. Na granicach ziarn zrekrystalizowanego ferrytu zarodkuje ponownie cementyt. Dominującymi procesami w tym zakresie temperatur odpuszczania stają się rozrost ziarn i subziarn ferrytu oraz sferoidyzacja cementytu. Struktura składa się z ferrytu i cementytu drobnoziarnistego i nazywa się sorbitem, a jej twardość wynosi ok. 350 HB. W stalach zawierających austenit szczątkowy na procesy związane z wydzielaniem węgla nakłada się przemiana austenitu szczątkowego. Przebiega ona szczególnie intensywnie w zakresie 200—300°C. Mechanizm rozpadu austenitu szczątkowego, odpowiada rozpadowi austenitu przechłodzonego w tym zakresie temperatur i dlatego tworząca się struktura ma charakter bainityczny. Na przemiany zachodzące podczas odpuszczania istotny wpływ wywierają składniki stopowe. Z przemianami zachodzącymi podczas odpuszczania związane są zmiany różnych własności. Do badania przemiany wykorzystuje się więc badania: dylatometryczne, rentgenograficzne i mikroskopowe. Metody dylatometryczne rejestrują zmiany objętości wynikające ze zmiany struktury. Metody rentgenowskie pozwalają na wyznaczenie zmian parametru sieci martenzytu, które uzależnione są od ilości zatrzymanego węgla w roztworze przesyconym, zaś badania mikroskopowe określają różnice w mikroskopowej strukturze stali odpuszczonych.

10,1 Jak sklasyfikowano obróbkę cieplną? Zdefiniuj jej podstawowe operacje i zabiegi technologiczne.

Obróbka cieplna – zabieg cieplny, względnie połączenie kilku zabiegów, które mają na celu zmianę właściwości mechanicznych, fizycznych i chemicznych metali i ich stopów, głównie przez wywołanie zmian fazowych lub tylko strukturalnych, wyłącznie w stanie stałym.

Jeżeli dodatkowo podczas cieplnej obróbki zmieni się skład warstwy powierzchniowej stali za pomocą czynnego ośrodka, wtedy taka obróbkę nazywa się obróbką cieplno-chemiczna.

Obróbka cieplna połączona z odkształceniem plastycznym stopu stanowi obróbkę cieplno-mechaniczną.

Pewne stopy podlegają obróbce cieplnej przy jednoczesnym działaniu pola magnetycznego. Głównym celem jest wtedy nadanie specjalnych własności fizycznych; obróbka taka nosi nazwę obróbki cieplno-magnetycznej.

Na każdy zabieg cieplny składają się czynności nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia, względnie chłodzenia, wymrażania i nagrzewania.

Nagrzewanie jest to ciągłe lub stopniowe podnoszenie temperatury do wysokości przewidzianej dla danego zabiegu obróbki cieplnej.

Wygrzewanie, względnie wymrażanie, polega na utrzymaniu temperatury – wyższej od temperatury otoczenia przy wygrzewaniu, a niższej przy wymrażaniu – na stałym poziomie w czasie potrzebnym dla wyrównania temperatury w całym przekroju obrabianego przedmiotu i dla dokonania się zamierzonych przemian.

Chłodzenie jest to ciągłe lub stopniowe obniżenie temperatury przedmiotu do temp. otoczenia lub innej, określonej warunkami zabiegu. Chłodzenie przyspieszone przez odpowiednie odprowadzenie ciepła z przedmiotu w takich ośrodkach jak woda, olej, określa się jako oziębianie. Natomiast studzenie jest to powolne odprowadzenie ciepła z przedmiotu, np. z piecem lub w powietrzu.

Procesy wyżarzania stanowią procesy cieplne, dające w wyniku struktury zgodne z układem równowagi, w którym głównym czynnikiem jest temp. i czas wygrzewania. Temp. w tych zabiegach może leżeć powyżej lub poniżej temp. przemiany alotropowej. Szybkość chłodzenia materiału po wygrzaniu powyżej temp. krytycznej musi być stosunkowo nieznaczna, aby podczas chłodzenia przy przejściu przez temp. krytyczne miały czas dokonać się zmiany fazowe zgodne z układem równowagi (ujednoradnianie, normalizowanie, zmiękczanie).Jest to możliwe do osiągnięcia przy planowanym chłodzeniu.

Zależności od celu obróbki cieplnej i sposobu jej przeprowadzenia różnią się następujące rodzaje wyżarzania:

A – prowadzone z wygrzewaniem powyżej temp. krytycznych:


  1. wyżarzanie ujednoradniające stosowane głównie do staliwa,

  2. wyżarzanie normalizujące, którego pewną odmianą jest wyżarzanie zupełne; oba rodzaje stosowane do stali i żeliwa.

  3. Wyżarzanie zmiękczające stosowane głownie do stali i żeliwa,

B – prowadzone z wygrzewaniem poniżej temp. krytycznych:

  1. wyżarzanie rekrystalizujące stosowane do plastycznych metali i stopów, poddanych przedtem obróbce plastycznej na zimno,

  2. wyżarzanie odprężające stosowane głównie do stali, staliwa, żeliwa i stopów miedzi,

  3. wyżarzanie odpuszczające stosowane do stali i żeliwa uprzednio poddanych hartowaniu martenzytycznemu,

  4. wyżarzanie starzejące stosowane do stopów, poddanych przedtem przesycaniu, albo do szybko stygnących odlewów kokilowych, głównie do stopów lekkich i stopów miedzi.

C – prowadzone z wygrzewaniem powyżej lub poniżej punktów krytycznych:

  1. wyżarzanie sferoidyzujące stosowane do stali,

  2. wyżarzanie grafityzujące stosowane do żeliwa,

  3. wyżarzanie odwęglające stosowane do żeliwa ciągliwego względnie niektórych niskowęglistych stali.

Procesy hartowania – zabiegi cieplne, prowadzące do składników fazowych niezgodnych z układem równowagi, w których głównym czynnikiem oprócz właściwej temp. i czasu wygrzania jest szybkość chłodzenia stopów. W obróbce tej wygrzewanie przedmiotów do hartowania musi koniecznie odbywać się powyżej temp. przemiany.

Szybkość chłodzenia po wygrzaniu winna być odpowiednio duża, aby w materiale nie miały czasu zajść przemiany fazowe zgodne z wykresem równowagi, a zachodziły tylko takie przemiany, w wyniku których powstające fazy będą w ogóle niezgodne z układem równowagi. Zmiany takie zazwyczaj powodują zmiany własności wytrzymałościowych i obniżenie własności plastycznych.

W zależności od sposobu nagrzewania materiału podczas hartowania rozróżnia się:

A – hartowanie przy wygrzewaniu materiału na wskroś, jak:



  1. hartowanie zwykłe stosowane przeważnie do stali, żeliwa, brązów aluminiowych,

  2. hartowanie stopniowe stosowane głównie do stali,

  3. hartowanie izotermiczne stosowane do stali i żeliw,

B – hartowanie przy wygrzewaniu tylko warstwy powierzchniowej materiału, hartowanie powierzchniowe, stosowane głównie do stali ( niekiedy stosowane do wysokojakościowych perlitycznych żeliw ):

  1. hartowanie płomieniowe,

  2. hartowanie indukcyjne,

  3. hartowanie kąpielowe,

Proces przesycania – zabieg cieplny – zachowujący strukturę stopu właściwą dla temp. wysokich – w temp. otoczenia, w którym głównym czynnikiem, oprócz temp. i czasu wygrzania jest szybkość chłodzenia. Wygrzewanie musi odbywać się w temp. powyżej krzywej granicznej rozpuszczalności składników w metalu zasadniczym. Szybkość chłodzenia stopu od temp. wygrzewania winna być odpowiednio duża, aby w materiale nie miały czasu żadne procesy wydzielenia się składników przesycających, a więc uzyskane fazy być zgodne z istniejącymi w temp. wygrzania, a niezgodne ze stanem równowagi w temp. otoczenia. Obróbkę tą stosuje się do stopów aluminium, niektórych stali i niektórych brązów oraz stopów magnezu.

10,2 Jak określa się czas grzania podczas obróbki cieplnej?

Czas grzania jest istotnym parametrem, gdyż procesy zachodzące w czasie grzania maja charakter dyfuzyjny, a w efekt dyfuzji jest proporcjonalny do , gdzie D – współczynnik dyfuzji zależny wykładniczo od temp., - czas.

Zbyt krótki czas grzania może być niewystarczający do zajścia przemian, zbyt długi – może doprowadzić do rozrostu ziarna, nadmiernej koagulacji faz, wzrostu utleniania i odwęglania, a poza tym jest nieekonomiczny. Szybkość rozchodzenia się ciepła jest określona wzorem



=a

gdzie: a – dyfuzyjność cieplna, a=/c,  - współczynnik przewodności cieplnej, c – ciepło właściwe,  - gęstość, T/x – gradient temp.

Ze wzoru wynika, że szybkość nagrzewania jest wprost proporcjonalna do współczynnika przewodności cieplnej i odwrotnie proporcjonalny do ciepła właściwego oraz gęstości i rośnie ze wzrostem gradientu temp. w nagrzewanym elemencie. Na szybkość nagrzewania ma też wpływ środowisko, w którym znajdują się nagrzewane elementy, ich kształt, stosunek powierzchni do objętości i równomierności nagrzewania. Od rodzaju środowiska zależy tzw. współczynnik przejmowania ciepła, który jest największy przy nagrzewaniu w kąpielach metalowych, mniejszy - w kąpielach solnych i najmniejszy – w środowiskach gazowych. Stosunek czasów nagrzewania w tych ośrodkach wynosi 0,5:1:2.

Współczynnik kształtu jest najkorzystniejszy dla kuli, w następnej kolejności dla walca, prostopadłościanu, płyty, przy czym stosunek czasów nagrzewania tych elementów o jednakowych wymiarach ( średnica, bok, grubość ) wynosi 1:2:1,5:4.

Współczynnik równomierności nagrzewania zależy od tego, czy przedmiot jest nagrzewany ze wszystkich stron, z trzech stron ( spoczywa na zimnym trzonie pieca ) lub z jednej strony( np. blacha leży na zimnym trzonie pieca ). Stosunek czasów nagrzewania wynosi 1:1,5:4.

Według Gulajewa czas nagrzewania w minutach można obliczyć mnożąc 0,1 wymiaru podstawowego elementu w mm przez kolejne współczynniki : środowiska, kształtu, równomierności nagrzewania.

Załóżmy, że w piecu o temp. 900C mamy nagrzać w atmosferze gazowej blachę o grubości 20 mm, leżącą na zimnym trzonie pieca. Wtedy n = 0,1  20  2  4  4 = 64 min.

Kulkę o promieniu 20mm w piecu solnym wystarczy nagrzewać tylko n = 0,1  20  1  1  1 = 2 min.

Podany sposób obliczeń jest przybliżony, gdyż w rzeczywistości wpływ na szybkość nagrzewania będą mieć także temp. pieca i wielkość ładunku. W temp. pieca do 600C nagrzewanie następuje zasadniczo przez konwekcje i zachodzi ok. 2 razy wolniej niż powyżej temp. 800C przez promieniowanie.

Podczas nagrzewania występuje skłonność do pękania na skutek powstawania naprężeń wewnętrznych. Niebezpieczeństwo pękania jest większe w przypadku stali wysokowęglowych i stopowych, które należy nagrzewać z mniejszymi prędkościami lub stopniowo. Dlatego przy nagrzewaniu tych stali zaleca się zwiększenie czasu nagrzewania o 25 – 40 %.


10,3 Jakie są własności ośrodków chłodzących najczęściej stosowanych w obróbce cieplnej?
Ponieważ struktura stali zależy od szybkości chłodzenia, dobór odpowiedniego ośrodka chłodzącego ma decydujący wpływ na uzyskany efekt, tym bardziej, że krytyczne prędkości chłodzenia różnych stali zmieniają się w szerokich granicach w zależności od ich składu chemicznego, wielkości ziarna i jednorodności austenitu.

Najczęściej stosuje się ośrodki chłodzące ciekłe, ale mogą być również stosowane ośrodki gazowe i stałe (np. płyty miedziane przy hartowaniu bardzo cienkich wyrobów). Spośród ośrodków ciekłych szczególne znaczenie ma woda, którą stosuje się do stali węglowych, olej do stali konstrukcyjnych – stopowych i stopowych narzędziowych. Woda ma znacznie większą intensywność chłodzenia niż olej. Największą intensywność wykazuje z dodatkiem soli lub NaOH, co wiąże się z nietrwałością powłoki parowej izolującej hartowany element od ośrodka chłodzącego. Medium złożone z wody z dodatkiem 40 – 50% NaOH, jest bardzo korzystne, gdyż zapewnia dużą szybkość chłodzenia w zakresie perlitycznym i banitycznym, a małą wzakresie martenzytycznym.

Dzięki temu paczenie się elementów jest małe, a poza tym uzyskuje się czystą powierzchnię na skutek intensywnego odpadania zgorzeliny w procesie chłodzenia. Ponieważ NaOH w reakcji z CO2 szybko się zużywa, zaleca się utrzymać na powierzchni kąpieli warstwy oleju mineralnego o grubości 10 – 20 mm. Wówczas kąpiel może być eksploatowana w ciągu 6 – 12 miesięcy.

Intensywność chłodzenia ośrodka maleje ze wzrostem temp. W celu utrzymania stałych warunków chłodzenia urządzenia są wyposażone w systemy chłodzenia. Ważna jest też temp. zapłonu oleju, która powinna być możliwie wysoka.



Mniejszą intensywność chłodzenia ma spokojne powietrze (kila K/s). Można ją zwiększyć do 35 K/s (ok. 10 – krotnie ) stosując nadmuch sprężonym powietrzem. Należy zaznaczyć, że względny ruch cieczy również przyspiesza odprowadzanie ciepła, gdyż powoduje rozerwanie powłoki parowej. Jako ośrodki chłodzące stosowane są również stopione sole i kąpiele metalowe.

10.4

Czym charakteryzują się poszczególne rodzaje wyżarzania? Podaj charakterystyczne temperatury wygrzewania, sposoby chłodzenia oraz omów praktyczne znaczenie poszczególnych operacji.
Odp. Wyżarzanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stopu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia po wyżarzaniu w temperaturze wyższej od temperatury przemian powinna być niewielka, gdyż szybki chłodzenie uniemożliwiłoby powstanie faz zgodnych ze stanem równowagi stopu. Rodzaje wyżarzań:

  • ujednorodniające (homogenizacja) – ma na celu usunięcie przez dyfuzję w stanie stałym segregacji dendrycznej w obszarach ziarn oraz częściowo przynajmniej zlikwidowanie wydzielin w granicy ziarn (temp. 1000 – 1250o C).

  • normalizujące ma na celu otrzymanie równomiernej budowy drobnoziarnistej, która zapewnia lepsze własności mechaniczne niż gruboziarnista. Stosuje się często przed hartowaniem, co umożliwia zapobieżenie powstania zbyt dużych naprężeń podczas hartowania, a ponadto odkształceń spowodowanych tymi naprężeniami. Odmianą w. normalizującego jest w. zupełne, które różni się od poprzedniego sposobem chłodzenia. Podczas normalizowania stal ogrzewana do temp. Wyższej od temperatury określonej linią GSE była zawsze chłodzona na wolnym powietrzu.

  • Zmiękczające – polega na nagrzaniu stali do temp. Określonej w przybliżeniu przemianą A1, a następnie studzeniu po (kilkunastogodzinnym) wygrzewaniu. W. zmiękczające stosuje się głównie do stali, w których występują duże kryształy cementytu w perlicie oraz siatka cementytu otaczające pierwotne ziarna austenitu.

  • Rekrystalizujące – stosuje się do materiałów poddanych przedtem przeróbce plastycznej (np. walcowanie, kucie itp.), po których rośnie wytrzymałość i twardość materiałów, a maleje zdolność do dalszych odkształceń plastycznych. Przez wyżarzanie w odpowiedniej temp. Można przywrócić materiałowi własności plastyczne i wytrzymałościowe, które miał przed zgniotem. W tym celu należy materiał wyżarzać w temp. Wyższej od tzw. temperatury rekrystalizacji, która dla każdego materiału jest inna. W przybliżeniu temp. rekrystalizacji wynosi 0,4 temp. bezwzględnej topnienia dla czystych metali, a dla stopów będących roztworami stałymi 0,6 temp. bezwzględnej topnienia.

  • Odprężające – stosuje się w celu usunięcia lub zmniejszenia naprężeń własnych powstałych w materiale na skutek: zgrubnej obróbki skrawaniem, odlewania, spawania, lub przeróbki plastycznej, prowadzonej w temperaturze niższej od temp. rekrystalizacji, czyli na zimno. Temp. w. odprężającego zwykle 550 do 650o C. usunięcia naprężeń zależne jest od czasu i temperatury. Im wyższa jest temp., tym krótszy może być czas trwania procesu wyżarzania.

10.5

Jakie są sposoby i rodzaje hartowania? Opisz struktury i własności stali uzyskiwane w poszczególnych operacjach:

Odp. Hartowanie jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu stali do temperatury ok. 30o wyższej od temperatury przemian A3 (linia GSK), wygrzaniu jej w tej temperaturze i oziębienie z szybkością zwykle większą od szybkości krytycznej.

Rozróżniamy następujące sposoby hartowania:


  1. hartowanie z ogrzewaniem na wskroś:

  • H zwykłe,

  • H stopniowe,

  • H z przemianą izotermiczną,




  1. hartowanie powierzchniowe:



  • H zwykłe polega na chłodzeniu stali (od linii GSK) z szybkością zwykle większą od krytycznej. Duża szybkość chłodzenia zwykle umożliwia utrzymanie austenitu w stanie niezmiennym do temp. przemiany martenzytyczej. Niekiedy stosuje się mniejszą szybkość chłodzenia, którą można uzyskać np. w oleju. Otrzymuję się wówczas w warstwach powierzchniowych najczęściej obok martenzytu również bounit.

  • H stopniowe – różni się od h zwykłego zmienną szybkością chłodzenia, tzw. podchładzania, odbywa się w środowisku, którego temperatura jest wyższa od temperatury przemiany martentycznej., np. w kąpieli solnej. Po wyrównaniu się temperatur w znacznej części masy przedmiotu następuje dochładzanie w oleju, a niekiedy nawet w strumieniu powietrza. Przetrzymywanie stali w temperaturze znacznej trwałości austenitu powoduje zmniejszenie naprężeń stali.

  • H z przemianą izotermiczną różni się tylko temp. kąpieli chłodzącej, najczęściej solnej lub metalowej. Temp. kąpieli chłodzącej jest podczas hartowania z przemianą izotermiczną wyższa od temperatur początku przemiany martęzytycznej. Chłodzenie stali w takiej temp. prowadzi do powstania struktury złożonej z ferrytu i cementytu. Zwykle tak się dobiera warunki chłodzenia, żeby w stali powstała struktura bainityczna. H z przemianą izotermiczą przebiega w zakresie temperatury, w którym austenit jest trwały. Z tego też powodu trzeba dość długiego czasu, żeby z austenitu powstała bainit, przez to w materiale nie powstają znaczniejsze naprężenia.

  • H powierzchniowe – polega na nagrzaniu materiału do właściwej temperatury tylko na jego powierzchni. Rdzeń materiału nie zostaje wcale nagrzany, a zatem podczas obróbki nie zmienia swych właściwości. Po takim hartowaniu twrda powierzchnia wpiera się na sprężystym rdzeniu, który przy zmiennych obciążeniach nie ulega pęknięciu.



10.6

Jakie są metody badania hartowności stali ? W jaki sposób hartowność może być przydatna podczas doboru na elementy konstrukcyjne ?

Metoda hartowania od czoła.

Metodę tę stosuje się do określenia hartowności stali konstrukcyjnych węglowych i stopowych nie hartujących się na powietrzu. Metoda ta polega na oziębieniu strumieniem wody czoła próbki ogrzanej do temperatury i na pomiarze twardości powierzchni bocznej próbki na przeszlifowanych wycinkach mierzy się twardość wg metody Rockwella w odstępach co 2 milimetry na długości 50 milimetrów od czoła.Średnice arytmetyczne dwóch przeciwległych pomiarów służą do wykreślenia krzywej w układzie: odległość od czoła-twardość HRC. Krzywa ta charakteryzuje hartowność stali.

Metoda krzywych U.

Próbki o różnym stosunku długośći l do Srednicy D, ale o l /D >= 4 hartuje się w wodzie lub w oleju (zależnie od zawartośći składników stopowych). Na wyciętych z części środkowych i przeszlifowanych krążkach mierzy się twardość wg metody Rockwella wzdłuż dwóch wzajemnie prostopadłych średnic. Krzywe rozkładu twardości mają często kształt zbliżony do litery U stąd nazwa metody.

Badanie hartownośći na przełomie.

Tę najdawniejszą metodę badania stosuje się do oceny hartowności stali narzędziowych węglowych, charakteryzujących się małą głębokością hartowania. Próba polega na porównaniu przełomów próbek z określonymi wzorcami.Jako skalę wzorcową do określania wielkości ziarna przyjmuje się skalę przełomów Jernkontoret (10 wzorców). Głębokość hartowania wyznacza się na podstawie odróżniających się struktur lub przyjmuje się grubość warstwy o twardości 55 HRC.

10.7
Na czym polega ulepszanie cieplne i czym różni się od połączonych operacji hartowania z odpuszczaniem niskim i średnim?

Hartowanie obejmuje nagrzanie przedmiotu do temperatury, w której zachodzi przemiana austenityczna, tj. powyżej linii GSK, wygrzanie go w tej temperaturze i szybkie ochłodzenie. W wyniku hartowania uzyskujemy wysoką twardość i zmniejszenie odporności na uderzenie, stal hartowana jest twarda i krucha. Odpuszczanie polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do temperatury poniżej linii PSK, wygrzaniu i następnym wolnym lub szybkim chłodzeniu. W wyniku odpuszczenia zmienia się struktura stali hartowanej, stal staje się mniej krucha i twarda, lecz bardziej sprężysta. Połączenie zabiegów hartowania i odpuszczania w odpowiedniej temperaturze w celu otrzymania możliwie najwyższych własności mechanicznych (przy zachowaniu możliwości obróbki skrawaniem) nazywamy ulepszaniem cieplnym. W praktyce przyjęto określać odpuszczanie stali w zależności od temperatury wygrzewania jako:

a). odpuszczanie niskie w zakresie temperatury 150-250 C, które ma na celu usunięcie a przynajmniej zmniejszenie, naprężeń hartowniczych przy nieznacznym polepszeniu plastyczności z jednoczesnym zachowaniem wysokiej twardości i wytrzymałości (struktura martenzytu regularnego)

b).odpuszczanie srednie w zakresie temp. 250 -500 C, mające na celu uzyskanie wysokiej sprężystości przy dostatecznej udarnosci i stosunkowo jeszcze wysokiej wytrzymałości (struktura troostytu ) .Ulepszanie cieplne jest to połączone hartowanie z odpuszczaniem wysokim w zakresie temp. od 500 C do Ar1 , mające na celu otrzymanie bardzo wysokiej udarności przy średnio dobrej wytrzymałości (struktura sorbitu)



10.8

W jaki sposób dobiera się warunki odpuszczania stali uprzednio zahartowanej,tak aby uzyskała ona wymagane własnosci mechaniczne?

Warunki odpuszczania dobiera się w zależnosci od rodzaju stali zahartowanej,zawartosci węgla,wielkosci powstałych napreżeń jak i od wymaganych własnosci mechanicznych.Warunki odpuszczania to:nagrzewanie elementu do odpowiedniej temp. wygrzanie go w tej temp. odpowiednio długo oraz studzenie. Warunki odpuszczania to takze rodzaj pieca:-komorowe z obiegiem wewnętrznym obiegiem powietrza,-kompielowe solne.Przykłady temp. odpuszczania narzędzi ze stali węglowej: noże tokarskie i strugarskie 200-220 C,frezy,rozwiertaki 230 C,sprężyny ,instrumenty chirurgiczne 300 C.



10.9

Na czym polega utwardzanie dyspersyjne?

Przesydzanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury tp. powyżej lini zminnej rozpuszczalności metalu B w A ,w której wydzielona faza (beta) przechodzi do roztworu stałego (alfa) ,wygrzaniu w tej temp. i na stępnym szybkim chłodzeniu celem zatrzymania rospuszczonego składnika w roztworze stałym przesyconym. Po przesyceniu maleją własności mechaniczne jak Rm i HB a własnaści plastyczne rosną , gdyż stop staje się jednofazowy.

Starzenie polega na nagrzaniu uprzednio przesyconego stopu do temperatury znacznie ponirzej lini granicznej rozpuszczalności ,wygrzaniu w tej temp. i dowolnym chłodzeniu. Podczas nagrzewania i wygrzewania zachodzą dzięki nadmiarowi energi swobodnej fazy przesyconej,zmiany strukturalne w kierunku osiągnięcia równowagi, czyli wydzielenia składnika przesycajacego roztwór . Zmiany te zależą od temperatury i czasu trwania tego procesu . Od wielkosci powstajoących faz przejściowych i wydzieleń,czyli od ich dyspersji,zalezą własnosci wytrzymałościowe. Powstające wydzielenia lub przejściowe stany struktury przeszkadzają zachodzeniu poślizgów i dlatego materiał pod wpływem starzenia umacnia się, czyli zwiększa się Rm i HB, chodz własności plastyczne maleją. Połączenie zabiegów przesycania i starzenia nosi nazwę utwardzania dyspersyjnego.

10.10

Jak sklasyfikowano naprężenia własne powodowane obróbką cieplną? Wyjaśni ich wpływ na wady hartownicze

Naprężenia własne są to naprężenia , których zródło tkwi w samym materiale i nie pochodzi od aktualnie działających na materiał sił zewnętrznych. Zależnie od zródła naprężeń rozrużnia się :naprężenia po zgniocie na zimno (np. walcowanie),naprężenia odlewnicze, naprężenie spawalnicze ,naprężenia po uprzedniej obróbce cieplnej ( naprężenia hartownicze). Poza tym przyjął się podział naprężeń własnych zależnie od zasięgu objętościowego na naprężenia pierwszego, drugiego, trzeciego rzędu:

--Naprężenia wł. 1 rzędu istnieją pomiędzy warstwami lub częściami danego przedmiotu

-- Naprężenia wL. 2 rzędu powstają pomiędzy poszczególnymi fazami lub ziarnami , dlatego nazwane są też nap. fazowymi (strukturalnymi)

--Naprężenia własne 3 rzedu naja zasięg najmniejszy od kilku komórek sieci krystalicznej do wielkości atomowych. Obecność ich za znacza się w osłabieniu linii rętgenowskich.

Podczas hartowania stali powstają zarówno naprężenia cieplne na wskutek różnicy szbkości chłodzenia rdzenia i powierzchni przedmiotu,jak i fazowe tworzące się na skutek zachodzących przemian fazowych w różnym stopniu w różnych częściach i mikroczęściach przekroju.Zmiany fazowe połączone są z durzymi zmianami obiętości. Zmiany fazowe są zróżnicowane w głąb przekroju przedmiotu,z powodu zróżnicowania temperatury,powodującego niejednoczesność przemiany,ale także z powodu zróznicowania składu chemicznego, niejednorodnści ziarna itp.To powoduje powstawanie po między zróżnicowanymi fazami napręrzeń strukturalnych. Napręrzenia istniejące w rdzeniu moga doprowadzić do pęknięć przebiegających w środku przekroju.Naprężenia hartownicze wywołują też inne braki produkcyjne jak paczenie, krzywienie, odkształcanie się przedmiotów.

11.1.Jakie są podstawowe mechanizmy odkształcenia plastycznego metali ?

11.2.jaki jest mechanizm odkształcenia plastycznego metali polikrystalicznych na zimno ?

11.1 Mamy kilka mechanizmów. Do nich należą?

A: poślizg dyslokacyjny

B: bliźniakowanie

C: pełzanie dyslokacyjne

D: pełzanie dyfuzyjne

E: poślizg po granicach ziaren

A: polega ono na wzajemnym przemieszczeniu się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunkach poślizgu. Budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje nie zmieniona.

C: ten sposób ma duże znaczenie dla obróbki plastycznej na gorąco. W procesie tym w ślad za odkształceniem plastycznym na gorąco przebiegają dynamiczne procesy aktywowane cieplnie usuwające częściowo lub całkowicie skutki umocnienia zgniotowego.

D: zachodzi on w temperaturze homologicznej większej od 0,6 w warunkach niehydrostatycznego stanu naprężeń Wówczas w skutek oddziaływania składowej normalnej naprężeń występują lokalne różnice potencjału chemicznego wakansów wyrównujące się podczas pełzania dyfuzyjnego. W procesie tym następuje następuje przepływ wakansów z obszarów o niskim potencjale, przyległych do granic ziarn prostopadłych do kierunku rozciągania, w których panują naprężenia rozciągające , w których panują naprężenia ściskające. Taki przepływ wakansów odpowiada dyfuzyjnemu przepływowi masy w odwrotnym kierunku i w rezultacie w kierunku rozciągania. mechanizm ten dzieli się na:

- pełzanie dyfuzyjne poprzez źiarna (szybkość odkształcenia ziarna jest odwrotnie proporcjonalna do drugiej potęgi ziarna oraz wprost proporcjonalna do przyłożonego naprężenia rozciągającego i współczynnika dyfuzji objętościowej. Oznacza to, że proces jest kontrolowany przez dyfuzję ziarna, oraz, że szybkość jest silnie uzależniona od wielkości ziarna)

- pełzanie wzdłuż źiaren( szybkość odkształcenia ziarna w zależności od naprężenia jest odwrotnie proporcjonalna do trzeciej potęgi ziarna, a więc jeszcze silniej zależy od struktury, oraz jest wprost proporcjonalna do współczynnika dyfuzji po granicach ziarn. Oznacza to, że proces jest kontrolowany przez dyfuzję ziarna, oraz, że szybkość jest silnie uzależniona od wielkości ziarna)

E: jest on dominujący gdy temperatura odkształcenia plastycznego jest większa od 0.4 temperatury topnienia-nie jest jeszcze dokładnie zbadany. Poślizg po granicach ziarn polega na przesuwaniu się i obrotach ziarn wzdłuż ich granic szerokokątnych .poślizg po granicach ziaren w polikryształach odkształconych plastycznie na gorąco jest wyłącznie skutkiem ruchu wzdłuż granic ziarn dyslokacji granic ziarn lub dyslokacji sieciowych. Dyslokacje sieciowe zablokowane przez granice ziarn wywołują ruch dyslokacji granic ziarn lub dyslokacji sieciowych które uszły do granicy .Poślizgowi po granicach towarzyszą mechanizmy akomodacyjne zapewniające nienaruszenie spójności metalu i polegają na :

- sprężystym odkształceniu ziarn

- plastycznym płynięciu obszarów wewnątrz ziarn



  • pełzaniu dyfuzyjnym

11.2 Jaki jest mechanizm odkształcenia plastycznego metali polikrystalicznych na zimno?

Przypadkowa orientacja krystalograficzna ziarn i blokujące działanie granic ziarn , zwłaszcza szerokokątnych decydują o jednoczesnym odkształceniu plastycznym w licznych systemach poślizgu. Odkształcenie plastyczne polikryształów rozpoczyna się w ziarnach o systemie poślizgu zorientowanym zgodnie z kierunkiem przyłożenia obciążenia, jeszcze przed osiągnięciem makroskopowej granicy plastyczności. Przed granicami ziarn następuje wówczas spiętrzenie dyslokacji jednoimiennych . Powoduje to wytworzenie naprężenia wstecznego – skierowanego przeciwnie do przyłożonego obciążenia. W wyniku nie jednoczesnego zapoczątkowania odkształcenia plastycznego w ziarnach o różnej orientacji krystalograficznej krzywa rozciągania poniżej granicy sprężystości ma charakter paraboliczny. Po osiągnięciu makroskopowej granicy plastyczności odkształcenie plastyczne następuje nierównomiernie w wyniku rozprzestrzeniania się fal plastycznych tzw. fal Lüdersa. Wskutek działania odkształcenia plastycznego spiętrzenia dyslokacji w jednych ziarnach uaktywniają żródła dyslokacji w ziarnach sąsiednich i wywołują oddziaływanie dyslokacji z błędami i dyslokacjami w innych systemach poślizgu. Wpływa to na zwiększenie umocnienia zgniotowego. Zwiększenie odkształcenia plastycznego powoduje nasycenie ziarn dyslokacjami o dużej gęstości i utworzenie w ziarnach komórkowej podstruktury dyslokacyjnej, a nawet podziarn.

Granica plastyczności – tak nazywane jest naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego we wszystkich ziarnach. Metale często wykazują górną i dolną granicę plastyczności

11.3 Jakie zjawiska zachodzą w metalach uprzednio odkształconych plastycznie podczas wyżarzania w temperaturach wyższych i niższych od temperatury rekrystalizacji.

Wyżarzanie zgniecionego materiału powoduje w nim zmiany:



  1. wyrzażanie w zakresie niskiej temperatury wpływa na zmniejszenie naprężeń własnych, wyrzażanie to nazywamy wyrzażaniem odprężającym, zabieg ten polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatury 450-550˚C, wygrzaniu go w tej temperaturze i ostudzeniu. Zbyt wysoka temperatura powoduje zmianę własności wytrzymałościowych.

  2. Wyrzażanioe powyżej lini rekrystalizacji powoduje powrót do własności przed obrobieniem plastycznym czyli własności którymi odznaczał się metal przed zgniotem. Stosuje się wyrzażanie rekrystalizujące , aby usunąć zgniot ziarn w sieci krystalicznej . Im większy jest zgniot ziarn to wygrzać w wyższej temperaturze. Materiał staje się twardszy i wytrzymały na rozciąganie , lecz mało ciągliwy. Wyrzażamy w temperaturze od 550-700˚C a potem studzimy

11.5 Na czym polega obróbka plastyczna i obróbka cieplno- mechaniczna metali

1) Obróbka plastyczna polega na tym, że metale pod działaniem sił zewnętrznych ulegają odkształceniu. Obróbka plastyczna ma na celu zmianę kształtu i własności metali w wyniku odkształcenia na zimno lub na gorąco.

Wyróżniamy kilka rodzajów obróbki plastycznej:

A: kucie, b: walcowanie, c: tłoczenie, d: ciągnienie.

W obróbce plastycznej na zimno nieodkształcalne zmiany zachodzą przy obciążeniach przekraczających granicę sprężystości materiału. Proces odkształcania metalu pod wpływem ciśnienia rozpoczyna się od jego powierzchni narażonej bezpośrednio na działanie sił i stopniowe rozprzestrzenianie w głąb materiału. Uzewnętrznia się ono zmniejszeniem grubości materiału. Zgniot wykorzystuje się do powierzchniowego utwardzenia (umocnienie )materiału, powstałe w wyniku odkształceń plastycznych jak i kształt zgniecionego ziarna metalu jest trwałe tylko do pewnej temperatury.



1   2   3   4   5   6


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna