ZESTAW 17

1. Dlaczego stale odtlenione aluminium są stalami drobnoziarnistymi i niestarzejącymi się?

Aluminium wiąże znajdujący się w stali azot i razem tworzą azotek aluminium, który jest bardzo twardą fazą zapewniającą twardość i odporność na ścieranie. Dodatkowo ten azotek hamuje rozrost ziaren – stąd nazwa, stale drobnoziarniste. Niestarzenie – niezwiązany azot powoduje powstawanie atmosfer Cottrela, co powoduje płynięcie stali.

Gazy rozpuszczone w metalu przeważnie podwyższają jego wytrzymałość, a obniżają plastyczność. Dla przykładu, atomy azotu rozpuszczonego w żelazie zwykle grupują się wokół dyslokacji, tworząc tzw. atmosfery Cottrella. Atmosfery te unieruchamiają dyslokacje, zwiększając tym samym wytrzymałość metalu. Przez co nie potrzebne jest starzenie materiału.

1. Jaka jest różnica w mikrostrukturze stali przedeutektoidalnej w stanie normalizowanym a ulepszonym cieplnie?

Ulepszanie cieplne= hartowanie + wysokie odpuszczanie

Ulepszanie cieplne jest obróbką cieplna będącą procesem technologicznym obejmującym zespól zabiegów cieplnych wywołujących zmiany struktury, właściwości mechanicznych i fizyczno-chemicznych stopów w stanie stałym.

Hartowanie- polega na bezdyfuzyjnej przemianie austenitu w martenzyt. Struktura wyjściowa do hartowania musi być austenit. Powinien on być drobnoziarnisty oraz jednorodny. Z tego względu temperaturę hartowania przedeutektoidalnych stali niestopowych określa się w przedziale temperatur 30-50*C wyższych niż temperatura Ac3.

Odpuszczanie wysokie – pomiędzy 500* C a Ac1. Po tym rodzaju otrzymuje się strukturę sorbitu odpuszczania. (optymalne właściwości mechaniczne tj duże wartości Rm i Rpl (wysoki stosunek Rpl/Rm), przy dobrej plastyczności (duże wartości A, Z oraz K)

Cel wyżarzania: Uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych. Stosowane głównie dla stali podeutektoidalnych.

Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury 30÷50oC powyżej linii Ac3, wygrzanie i studzenie w spokojnym powietrzu. Dla stali nadeutektoidalnych stosuje się czasami tzw. normalizowanie niezupełne (temperatury wygrzewania znajdują się w zakresie A1÷Accm).

1. Narysuj schematycznie przebieg krzywej hartowności wyznaczonej w próbie Jominy'ego. W jakim celu wyznacza się takie krzywe?

Pasmo hartowności to wykres pokazujący rozrzut własności danego materiału. Wyznacza się je sumując wykresytwardości HRC w funkcji odległości od czoła próbki otrzymane z próby Jominy’ego.

Próba polega na wygrzaniu znormalizowanej próbki ( średnica 25 mm, długość 100 mm) przez ok. 30-35 minut w temperaturze 30 -50 °C powyżej temperatury przemiany austenitycznej. Następnie próbka jest czołowo oziębiana poprzez natrysk strumienia zimnej wody. Szybkość oziębiania sięga 350 °/s na czole próbki i spada do ok 2 °/ s na drugim końcu. Po całkowitym ostygnięciu próbkę ostrożnie szlifuje się tak, aby nie zmienić struktury, wzdłuż tworzącej z dwu przeciwległych stron na głębokość 0,4-0,5 mm. Następnie na powierzchni ścięć mierzy się twardość w skali Rockwella C. Pomiary wykonuje się z obu stron w odległości od czoła 1,5 mm , 3 mm, a następnie 6 razy co 2 mm i dalej co 5 mm. Na podstawie próby sporządza się wykres twardości HRC w funkcji odległości od czoła próbki.

Jesli chodzi o praktyczne zastosowanie to wydaje mi się, że na podstawie pasm hartowności można ocenić twardość materiału po hartowaniu w zależności od odległości od powierzchni. W sensie jak zmienia się twardość w głąb materiału.

1. Jaki jest wpływ pierwiastków stopowych podczas odpuszczania zahartowanej stali?

Pierwiastki stopowe wpływają na przebieg przemiany podczas odpuszczania stali po hartowaniu, głównie powodując przesunięcie do wyższych temperatur rozkładu mertenzytu i przemiany austenitu szczątkowego w porównaniu do przemiany zachodzących w stalach węglowych. Stan przesycenia martenzytu może być zachowany do temperatury 500*C gdyż pierwiastki stopowe utrudniają dyfuzję węgla.

a) Opóźnienie rozpadu martenzytu i austenitu szczątkowego

-pierwiastki stopowe utrudniają dyfuzję węgla w martenzycie i wydzielenia węglika epsilon nawet do 500*C

-Mn, Cr i Si szczególnie mocno opóźniają rozpad austenitu szczątkowego, który może być trwały do 400/500*C, zwłaszcza w stalach wysokowęglowych

b)Efekt twardości wtórnej(wzrost twardości-> wydzielenie się węglików zarodkujących niezależnie-> wzrost dyspersji)- występuje w stalach zawierających Mo>5%, V>1%, W>2%, których węgliki zarodkują niezależnie dając efekt umocnienia wydzieleniowego. W stalach zawierających Cr>12% węgliki chromu zarodkują 'in situ' a efekt twardości wtórnej w przypadku tych stali związany jest z rozpadem dużej ilości austenitu szczątkowego. Wykorzystywane w stalach narzędziowych(szybkotnących do pracy na gorąco)

c) kruchość nieodwracalna po odpuszczeniu w 200-350*C(atomy S i P segregują do granic ziaren podczas austenityzowania co ułatwia zarodkowanie węglika epsilon i cementytu)

d)kruchość odwracalna(po odpuszczeniu w 400-600*C)

-Mo, Ti, Zr opóźniają lub zapobiegają kruchości

-Mn, Si sprzyjają występowaniu kruchości

-Ni, Cr umiarkowanie sprzyjają(mocniej gdy występują razem)

5. Jakiej obróbce cieplnej powinno się poddawać stale narzędziowe niestopowe? Wyjaśnij, jakie informacje zawiera oznaczenie C80U.

Stale narzędziowe niestopowe (dawniej nazywane węglowymi) są stalami do pracy na zimno. Obejmują sześć gatunków o wzrastającej zawartości węgla od 0,42 do 1,25%, tabl. 1. Znak stali niestopowej składa się z litery C, następnie z dwucyfrowej liczby oznaczającej średnią zawartość węgla w setnych częściach procenta i na ostatniej pozycji litery U oznaczającej przeznaczenie stali na narzędzia. Stale niestopowe ze względu na skład chemiczny posiadają małą hartowność; zahartowanie na wskroś można uzyskać tylko dla średnic do 10 mm. W przypadku większych średnic głębokość warstwy zahartowanej zmienia się, np. dla średnicy 30 mm głębokość warstwy zahartowanej wynosi około 3mm. Nie zahartowany rdzeń o strukturze, najczęściej drobnego perlitu, jest bardziej miękki ale jednocześnie bardziej ciągliwy, co pozwala stosować taką stal na narzędzia narażone na obciążenia dynamiczne. Poza ciągliwym rdzeniem także korzystny rozkład naprężeń własnych (w warstwie wierzchniej martenzytycznej - naprężenia ściskające) kompensuje występujące w czasie pracy naprężenia rozciągające. Stale niestopowe przeznaczone są do wyrobu narzędzi o prostych kształtach. Z gatunków o niższej zawartości węgla wykonuje się narzędzia pracujące udarowo, jak przecinaki, młotki, siekiery, wykrojniki, przebijaki, narzędzia tnące; piły, dłuta, a stale o dużej zawartości węgla na narzędzia do obróbki metali z niewielką szybkością skrawania; frezy, wiertła, narzynki, gwintowniki.

Obróbka cieplna stali narzędziowych niestopowych

Półwyroby ze stali narzędziowych są dostarczane z hut w stanie zmiękczonym aby umożliwić obróbkę wiórową. Wytworzone narzędzia poddaje się hartowaniu i odpuszczaniu. Austenityzowanie przeprowadza się w temperaturach 30 - 50°C powyżej linii Ac3 (stale podeutektoidalne) a powyżej linii Ac1 (stale eutektoidalne i nadeutektoidalne). Hartowanie stali niestopowych w wodzie lub solance powoduje wielkie naprężenia w stali i może doprowadzić do odkształceń trwałych (paczenie) oraz pęknięć hartowniczych. Po hartowaniu stal uzyskuje strukturę martenzytyczną, a nadeutektoidalna - martenzytyczną z kulkowym cementytem drugorzędowym. Odpuszczanie przeprowadza się w celu usunięcia naprężeń, w zasadzie w temperaturze 180°C, przy czym zostaje zachowana struktura martenzytyczna i wysoka twardość, rys.

Oznaczenia znakowe stali według zastosowania

Ogólna forma oznaczenia jest następująca:   X000Y gdzie:   X – oznaczenie rodzaju stali np.: S – Stale konstrukcyjne (np. S235) E – Stale maszynowe (np. E295) P – Stale na urz. ciśnień. (np. P460) L – Stale na rury (np. L360) B – Stale do zbrojenia (np. B500) Y – Stale do betonu spręż. (np. Y720) R – Stale na szyny (np. R820) H – Stale do walcowania na zimno DC, DD – Stale do walcowania (np. DD02, DC03)    000 – liczba odpowiadająca Re (granicy plastyczności w MPa) lub Rm (granicy doraźnej wytrzymałości w MPa), twardości HRC lub oznaczenie cyfrowe kolejności stali w kierunku stali o rosnącej wytrzymałości    Y – oznaczenie dodatkowe np.: H – stal konstrukcyjna na kształtowniki ( np. S355J0H) N – stal konstrukcyjna spawalna wyżarzona ( np. S275N) GD – stal do powlekania na gorąco ( np. S280GD+..) U – stal na narzędzia ( np. C80U) +Z – stal powlekana cynkiem ( np. S320GD+Z) M – stal walcowana ( np. S550MC) C – stal walcowana na zimno  Q – stal po ulepszaniu cieplnym ( np. S500Q) L – stal do pracy w obniżonych temperaturach ( np. S690QL)