1. Krystalizacja z fazy ciekłej - mechanizm i prawa krystalizacji.
Krystalizacja pierwotna to przejście z fazy ciekłej metalu w stan stały w warunkach odprowadzenia krzepnącej cieczy utajonego ciepła krystalizacji. W procesie tym zachodzą równocześnie 2 procesy: 1) powstawanie zarodków (zarodkowanie homo i heterogeniczne); 2) rozrost zarodków. Z procesem krzepnięcia wiążą się : tworzenie zarodków, kinetyka przemieszczania się granicy międzyfazowej, rozmieszczenie zanieczyszczeń, morfologia powierzchni granicy międzyfazowej kryształ-ciecz. Tworzenie się kryształów przy krzepnięciu powoduje obniżenie energii swobodnej. W miarę wzrostu zarodka początkowo en. swobodna wzrasta , osiągając wartość max. dla zarodka o krytycznym promieniu rk , po czym dalszy wzrost wielkości zarodka prowadzi do obniżenia en. swobodnej krzepnącego materiału. Trwałymi zarodkami będą te których r>=rk. Tylko z tych zarodków będą powstawać kryształy.
Wielkość i kształt ziarn powstających w czasie krystalizacji pierwotnej zależą od warunków krzepnięcia. na przebieg krystalizacji mają wpływ:
1) max temp. nagrzania ciekłego metalu przed odlewaniem i czas wygrzania w tej temp.; 2) temp. ciekłego metalu podczas odlewania ; 3)sposób odlewania; 4) szybkość chłodzenia; 5)jakość metalu; 6)napięcie powierzchniowe metalu w temp. krzepnięcia; 7)wstrząsy mechaniczne.
Prawa Tammana:
1.Ilośc zarodków krystalicznych tworzących się spontanicznie w czasie krzepnięcia .Wielkość ta mierzona ilością zarodków powstających w 1 cm3 cieczy w ciągu 1 min.
2.Szybkośc narastania kryształów tzw. szybkość krystalizacji, mierzona w mm/min.
Przy wolnym chłodzeniu , małym zarodkowaniu, dużej prędkości wzrostu powstaje struktura gruboziarnista, zaś przy szybkim chłodzeniu, dużym zarodkowaniu i małej prędkości wzrostu - struktura drobnoziarnista.
Krystalizacja we wlewkach:
I. przechłodzenie duże, struktura drobnoziarnista - kryształy zamrożone
II. przechł. średnie, kryształy słupkowe
III. przechł. małe, struktura gruboziarnista, kryształy równoosiowe.
2. Defekty struktury krystalicznej - rodzaje, ilość.
Defekty - zaburzenia w periodycznym ułożeniu atomów w sieci krystalicznej. Ze względu na geometrię defekty dzieli się na:
punktowe: wakancje-powstaja w wyniku nie obsadzenia węzła sieci przez atom; atomy międzywęzłowe - atom tego samego pierw. zajmuje miejsce między węzłami powodując rozsunięcie sąsiednich atomów; atomy domieszek międzywęzłowe-o wielkości mniejszej od atomów macierzystych, rozmieszczone w lukach ; atomy domieszek substytucyjne-znajdują się w węzłach sieci, średnica atomów jest zbliżona do śred. macierzystej atomów; defekty złożone- atom domieszki związany z wakancją.
liniowe: dyslokacje:
krawędziowe: jeżeli przesunięcie nastąpiło prostopadle do linii nacięcia. Linię dyslokacyjną stanowi krawędź półpłaszczyzny.
śrubowe: gdy przesunięcie nastąpiło równolegle do krawędzi nacięcia. Płaszczyzny atomowe prostopadłe do linii dyslokacji układają się tak, że tworzą powierzchnię śruby. Położenie każdego odcinka dyslokacji wyraża wektor t, styczny do linii dyslokacyjnej , zaś charakter odcinka określa wektor Burgersa b (dla danej dyslokacji posiada wartość stałą i charakteryzuje kierunek oraz wielkość przesunięcia atomów przy ruchu dyslokacji).
powierzchniowe: granice ziarn - strefy ,w których występuje niedopasowanie atomowe struktury krystalicznej sąsiednich ziarn; granice międzyfazowe- każde ziarno łączy się z otaczającymi ziarnami we wszystkich punktach powierzchni, tworząc wspólną granicę; błędy ułożenia - powstaje przez usunięcie(pojedynczy b.u.) lub wprowadzenie(podwójny b.u.) do jakiegoś obszaru kryształu części gęstej warstwy atomowej.
3. Mechanizmy odkształcenia plastycznego i umocnienia metali i stopów.
Odkształcenie plastyczne zachodzi w metalach i stopach na drodze poślizgu i bliźniakowania poprzez ruch dyslokacji. Miarą łatwości przemieszczenia się dyslokacji jest naprężenie krytyczne τkr. Jest to min naprężenie styczne do płaszczyzny i kierunku poślizgu zdolne wywołać ruch dyslokacji. Poślizg dyslokacji występuje w płaszczyznach krystal. gęsto wypełnionymi atomami i w kierunkach o najgęstszym ułożeniu atomów, ponieważ są tam najmniejsze opory sieci dal ruchu dyslokacji. Płaszczyzny atomowe {hkl}, w których najłatwiej uruchomić poślizg to płaszczyzny łatwego poślizgu, a kierunki <uvw> -kierunkami łatwego poślizgu Drugim mechanizmem jest bliźniakowanie mechaniczne, można określić jako nagły proces poślizgu zachodzący w niewielkim obszarze sieci, ograniczonym przez granice bliźniacze. Odkształceniu na drodze bliźniakowania sprzyja niska temp. i duża prędkość odkształcenia i niska wartość błędu en. ułożenia.
Różnice między odkształceniem przez poślizg i bliźniakowanie:
I. podczas poślizgu orientacja przemieszczających się części kryształu nie ulega zmianie, zaś po utworzeniu bliźniaka jest różna od orientacji osnowy.
2. przy poślizgu przemieszczenie zachodzi w jednej płaszczyźnie, a podczas bliźniakowania w szeregu kolejnych płaszczyzn równoległych do płaszczyzny bliźniaczej. Zagęszczenie dyslokacji , które powstaje przy odkształceniu plastycznym , powoduje zwiększenie oddziaływań między nimi i częstsze blokowanie się dyslokacji przemieszczających się przez kryształ co prowadzi do umocnienia odkształceniowego.
4. Zmiany w mikrostrukturze podczas nagrzewania materiału odkształconego - mechanizm rekrystalizacji.
W czasie rekrystalizacji dochodzi do odbudowy struktury przez tworzenie się nowych nie odkształconych ziarn. Zmiany struktury podczas nagrzewania materiału odkształconego zachodzą w etapach: zdrowienia, rekrystalizacji pierwotnej i rozrostu ziarn.
Zdrowienie zachodzi poniżej temp. rekrystalizacji i zapewnia przebieg dyfuzji. Następuje zmniejszenie gęstości dyslokacji na skutek łączenia dyslokacji o przeciwnych znakach. Przy nieco wyższych temp. następuje proces poligonizacji( podział ziarn na podziarna) co prowadzi do obniżenia en. wew. metalu.
Rekrystalizacja pierwotna- tworzą się nieodkształcone ziarna droga powstawania i rozrostu zarodków.
Zarodkowanie polega na tworzeniu się małych obszarów o niemal doskonałej strukturze krystal., zdolnych do ciągłego wzrostu kosztem odkształconej osnowy. Zarodki tworzą się na granicach ziarn, w miejscach przecięć bliźniaków i w pasmach ścinania. Rozrost zarodków przebiega samorzutnie. Następuje na drodze migracji granic dużego kąta. Szybkość migracji ziarn zależy od temp. i obecności domieszek obcych atomów w roztworze. Gdy nowe nieodkształcone ziarna zetkną się wzajemnie, rekryst. pierwotna kończy się. Proces rekryst. zachodzi powyżej temp. rekryst.
Rozrost ziarn zachodzi po zakończeniu rekryst. pierwotnej. Siłą pędną rozrostu ziarn jest dążenie do obniżenia en. swobodnej poprzez wzrost nowo utworzonych ziarn.
a)normalny rozrost ziarn - ciągły rozrost ziarn, tak że ziarna rozrastają się jednakowo w całej objętości materiału.
b)nieciągły r. z. zw. rekrystalizacją wtórną - szybki rozrost niektórych ziarn kosztem ziarn drobnych, których wielkość prawie nie ulega zmianie.
5. próba statycznego rozciągania metali i stopów - charakt. Re, Rm, A5, E.
Próba ta polega na powolnym jednoosiowym rozciąganiu próbki, aż do jej zerwania, przy stałej prędkości przyrostu długości. Sporządzone wykresy umożliwiają określenie wskaźników wytrzymałościowych i plastycznych. Kształt wykresu zależy od skł. chemicznego i stanu badanego stopu, także stan materiału.
a)materiał plastyczny nie wykazujący wyraźnej gr. plastyczności
b)mat. z wyraźną gr. plastyczności
c)materiał kruchy
Re- gr. plastyczności
Rs -gr. sprężystości
Rm-gr. wytrzymałości
Rz -wytrzymałość na zerwanie.
A-wydłużenie po zerwaniu=(lz-l0)/l0
6.Metody pomiaru udarności i twardości - ich miary.
Udarność - zdolność materiałów do odkształcenia plastycznego. Miarą udarności jest stosunek pracy, jaką trzeba użyć, aby złamać próbkę do pola powierzchni przekroju w miejscu karbu.
Twardość -miara oporu jaki wykazuje
materiał o miejscowej deformacji
plastycznej.
Metody statyczne(polegają na wciskaniu wgłębnika w badany materiał poza gr. sprężystości do spowodowania odkształceń trwałych):
Metoda Brinela - polega na wciskaniu wgłębnika tzn. kulką stalową, w badany materiał. Twardość Brinela jest to stosunek siły do pola czaszy odgniecionej przez kulkę.
Metoda Rockwela - metoda uniwersalna do pomiaru twardości metali zarówno twardych (ostrosłup diamentowy) jak i miękkich (kulka stalowa).Jeśli nie znamy twardości materiału, rozpoczynamy pomiar stożkiem, którego kąt wierzchołkowy wynosi 120º. Nadane obciążenie wynosi 150 kg przy trzech obrotach dużą wskazówką. Odczyt dokonujemy na skali C. Jeżeli twardość wynosi poniżej 20 na skali C, wówczas zamienia się stożek na kulkę stalową o średnicy 1/16 cala. Stosuje się obciążenie 100 kg, odczyt następuje na skali B. W przypadku korzystania ze stożka i kulki wyniki przeliczamy na skalę Brinela.
Metoda Vickersa - metoda do pomiaru materiałów twardych. Pomiar twardości określa się jako stosunek siły do powierzchni bocznej wciskanego ostrosłupa o podstawie kwadratu. Kąt wierzchołkowy ostrosłupa wynosi 136º.
Metody dynamiczne:
Metoda za pomocą młotka Charpy'ego polega na dynamicznym zginaniu próbki z karbem. W tej metodzie energia konieczna do złamania próbki jest określona z różnicy położenie początkowego i końcowego wahadła. Próbki są znormalizowane i posiadają karb w kształcie litery U lub V.
Metoda Shore'a polega na pomiarze wysokości odbicia odskoku bijaka, ciężarze 2,626 g, spadającego z wysokości 275 mm. Odczytu dokonuje się na podziałce.
Metoda za pomocą młotka Poldiego polega na porównaniu twardości materiału wzorcowego do materiału badanego.
7. Wielkości charakt. odporność na pękanie materiałów - na katastroficzne zniszczenie -krytyczny współczynnik intensywności naprężeń K1c, wiązkość Gc.
Odporność na pękanie K1c= σ√πa. Szybkie rozprzestrzenienie się pęknięcia nastąpi wtedy gdy K osiągnie wartość krytyczną K1c. - jej wartości są określane przez wprowadzenie do próbki pęknięcia o znanej długości a i jej obciążenie do momentu, gdy wystąpi rozprzestrzenienie pęknięcia. K1c dotyczy warunków płaskiego stanu odkształceń i występują gdy grubośc próbki jest duża.
Wiązkość - z tworzeniem się pęknięcia jest związane tworzenie się powierzchni swobodnej i to, że materiał odkształca się zwykle plastycznie wokół czoła pęknięcia Gc=π a σ2/E - suma en. powierzchniowych tworzących się podczas pękania powierzchni i en. odkształcenia plastycznego na jednostkę powierzchni.
współczynnik intensywności naprężeń Kn=δ√πakr - wartość opisująca spiętrzenie naprężenia w pobliżu wierzchołka pęknięcia
Krytyczny współczynnik intensywności naprężeń związany jest z krytyczna en. rozprzestrzeniania się pęknięcia Gc 1)dla płaskiego stanu naprężeń K1c=√E Gc 2) dla płaskiego stanu odkształcenia K1c=√[(E Gc/(1-γ2)], E - wskaźnik sprężystości wzorcowej, γ- współczynnik Poissona.
8. Wytrzymałość zmęczeniowa - krzywa Wohlera.
Zmęczeniem nazywane są zmiany zachodzące w metalu pod wpływem zmiennych naprężeń lub odkształceń, ujawniające się przez zmniejszenie wytrzymałości i trwałości, albo przez zniszczenie w wyniku pęknięcia. Naprężenia zmęczeniowe w zależności od wartości σm (średnie naprężenie cyklu) i σa (amplituda cyklu naprężeń). Po pewnej określonej liczbie cykli mogą spowodować złom zmęczeniowy. Dla każdego materiału określa się graniczną liczbę cykli NG zw. podstawa próby zmęczeniowej.
9. Pełzanie stali i stopów - mechanizm i charakt. pełzania.
Pełzanie - zwiększające się z czasem odkształcenie plastyczne pod wpływem stałego obciążenia. W zależności wartości naprężenia i temp. rozróżnia się pełzanie nisko-, wysokotemperaturowe i dyfuzyjne.
niskotemp. - zachodzi przy temp. T<0,5Tt odkształcenie plastyczne powoduje umocnienie materiału i prędkość pełzania zmniejsza się. Cechą jest mały przyrost odkształcenia w skutek pełzania. Odkształcenie związane jest z ruchem dyslokacji.
wysokotemp. - przy temp. T>0,5Tt i działaniu średnich lub dużych naprężeń. Po odkształceniu początkowym ε0 następuje I stadium pełzania, w którym prędkość pełz. zmniejsza się na skutek umocnienia materiału. W II- prędkość pełz. ustala się w wyniku osiągnięci równowagi między efektem umocnienia a efektem osłabienia. III - zwiększenie prędkości pełz. spowodowanym powstaniem kolejnego przewężenia. Cecha charakt.: znaczna wartość odkształceń, przewyższająca wartości ε0.
dyfuzyjne - w temp. zbliżonych do Tt , gdzie duże stężenie wakansów zapewnia szybki przebieg samodyfuzji. Występuje w materiałach drobnoziarnistych.
10.Korozja wysokotemperaturowa mechanizm i kinetyka, sposoby jej zapobiegania.
Korozja -proces niszczenia metalu na skutek oddziaływania środowiska zewnętrznego. Zaczyna się na powierzchni i stopniowo przenika do głębszych warstw. Korozja chemiczna zachodzi zwykle pod wpływem działania suchych gazów przy wys. temp. Powstaje wówczas na powierzchni elementów cienka warstwa związków chemicznych, najczęściej tlenków. Czynnik korodujący przenika na drodze dyfuzji przez warstwę produktów korozji do metalu co powoduje jej stopniowe pogłębianie i następuje korozja w głąb metalu.
11.Korozja elektrochemiczna i sposoby ochrony przed nią. - wiąże się z przepływem przez metal prądu elektrycznego. Polega na tworzeniu mikroogniw galwanicznych w roztworze wodnym. Towarzysza temu reakcje redukcji i utleniania. Redukcja zachodzi na katodzie i jest związana z przepływem umownego prądu dodatniego z roztworu elektrolitu do elektrody. Na anodzie - utlenianie związane z przepływem dodatnich ładunków z elektrody do elektrolitu. W czasie przepływu prądu następuje przepływ jonów. Korozja następuje tylko na anodach mikroogniw! Ochrona: dobór składu chemicznego; ochrona katodowa, protektorowa, anodowa; stosowanie inhibitorów; powłoki i warstwy ochronne: nieorganiczne-z emalii szklistych, fosforanowe, cermetale; organiczne-powłoki malarskie, gumowe.
12.Wyżarzanie stali-cel i rodzaje.
Wyżarzanie jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu stali do określonej temp. Wygrzaniu w tej temp. i powolnym chłodzeniu. Zależnie od temp. wygrzania sposobu studzenia i celu jaki chcemy osiągnąć. Rozróżnia się następujące rodzaje wyżarzania:.
ujednoradniające ma na celu usunięcie lub zmniejszenie niejednorodności w składzie chemicznym stali po krystalizacji na drodze dyfuzji.
zupełne ma na celu rozdrobnienie ziarna stali, uzyskanie jednorodności struktury oraz usuniecie naprężeń. normalizujące celem tego zabiegu jest uzyskanie jednolitej drobnoziarnistej struktury i związane z tym polepszenie wł. plastycznych oraz usunięcie naprężeń wewnętrznych.
z przemianą izotermiczną: ma na celu obniżenie twardości i polepszenie obrabialności.
sferoidyzujące: ma na celu koagulację węglików przez co uzyskuje się najmiększą i najbardziej plastyczną strukturę jaką dla danej stali można osiągnąć.
rekrystalizujące: stosuje się dla materiału uprzednio poddanego przeróbce plastycznej na zimno i ma na celu usunięcie skutków zgniotu. odprężające: ma na celu zmniejszenie naprężeń własnych elementów stalowych powst. w procesach technologicznych
grafityzujące ma na celu rozkład cementytu na grafit i austenit jeżeli temp. Procesu leży powyżej Ac1 lub na grafit i ferryt jeżeli temp. procesu leży poniżej Ac1.
odwęglające ma na celu wypalenie węgla z pow. elementu np. w celu uzyskania białego żeliwa ciągliwego lub przy produkcji blach transformatorowych.
przegrzewające ma na celu uzyskanie gruboziarnistej struktury, np. w celu polepszenia obrabialności stali
13. Kinetyka przemiany przechłodzonego austenitu(perlit, bainit, martenzyt)wykresy CTPc i CTPi.
Kinetyka przemian fazowych jest zwykle wyrażona za pomocą krzywych przedstawiających ułamek objętości fazy w funkcji czasu dla danej temp. C-czas, T-temp. P-przemiana. Zgodnie z dyskusją dotyczącą dyfuzyjnego zarodkowania wzrostu krzywe mają kształt litery c. CTPi - dla przemian w warunkach izotermicznych i CTPc dla przemian podczas ciągłego chłodzenia.
14. Hartowanie i hartowność stali - przemiana martenzytyczna, austenit resztkowy.
Hartowanie - proces, który prowadzi do powstania struktury nierównowagowej. Celem tego zabiegu jest zwiększenie twardości i wytrzymałości stali. Polega na podgrzaniu stali do temp. austenityzowania, następnie chłodzi się z taka prędkością >=Vk aby ominąć przemiany dyfuzyjne w celu uzyskania struktury martenzytycznej.
Przemiana martenzytyczna jest przem. bezdyfuzyjna i nie zachodzi do końca. Zachodzi przy przechłodzeniu austenitu do temp. Ms-poczatku przemiany -przy przechłodzeniu z prędkością >=Vk. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt - przesycony roztwór C w Feα. Zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temp. od Ms do Mf-końca przemiany. Po przekroczeniu Mf powstaje austenit szczatkowy.
Hartowność- zdolność stali do wytworzenia struktury martenzytycznej. Wraz ze wzrostem Vk hartownośc maleje.
15. Przemiany przy odpuszczaniu stali - stadia własności wpływ dodatków stopowych.
Odpuszczanie - obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu zahartowanych stali do temp. poniżej Ac1w celu poprawy własności plastycznych i zmniejszenia twardości.
4 stadia: I.(100-200 C) powstają węgliki przejściowe lecz nie wydzielają się, zawartość C w martenzycie obniża się. II - (200-350 C) przemiana austenitu szczątkowego w ferryt i cementyt poprzez przemianę bainityczną, prowadzi do umocnienia stali. III - (250-400 C) wydziela się cementyt i rozpuszczają się węgliki przejściowe, obniża się zawartość węgla w osnowie martenzytycznej. IV - (400-727 C) koagulacja i sferoidyzacja cząstek cementytu i rekrystalizacja osnowy. nagrzanie do zahartowanej stali powyżej temp. 727 prowadzi do tworzenia się austenitu.
Obecność pierwiastków stopowych prowadzi do zmian zakresu temp. wydzielania się węglików i przemiany austenitu szczątkowego oraz znacznego zmniejszenia szybkości przemian.
16. 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.
17. Fazy i składniki strukturalne w stopach z węglem - α, γ. Fe3C - ilość w nich węgla, perlit.
Ferryt -roztwór stały międzywęzłowy węgla w żelazie α, krystalizujący w ukł. regularnym przestrzennie centrowanym. Rozpuszczalność węgla w α Fe przy temp. eutektoidalnej 727 C wynosi 0,02%, zaś przy normalnych 0,008%. jest ferromagnetyczny.
Austenit - roztwór stały międzywęzłowy węgla w Fe γ, krystalizujący w ukł. regularnie ściennie centrowanym. Max rozpuszczalność węgla 2,11% w temp. 1148 C, z obniżeniem temp. spada do 0,8%przy 727 C. Jest paramagnetyczny.
Cementyt - węglik żelaza Fe3C jest związkiem żelaza z węglem o strukturze rombowej. Jest związkiem nietrwałym i w podwyższonej temp. rozpada się na C i Fe. Rozróżnia się: C. pierwotny(krystalizujący z roztworu ciekłego węgla w żelazie ze zmienną rozpuszczalnością), wtórny(wydzielający się w stanie stałym z austenitu z malejącą rozpuszczalnością C w γ Fe), trzeciorzędowy(wydzielający się z ferrytu z malejąca rozpuszczalnością C w α Fe).
Grafit - wolna postać węgla w stabilnym ukł. Fe-C. Gęstość grafitu wynosi 2,22 g/cm3
FAZY:
Perlit - eutektoidalna mieszanina ferrytu i cementytu zawierająca 0,8% węgla. Powstały w rozkładzie austenitu w temp. 727 C.
Ledeburyt - mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu. Występuje przy stałym składzie chemicznym 4,3% C. Jest trwały w temp. eutektycznej 1148 C i eutektoidalnej 727 C. Poniżej 727 C istnieje jako ledeburyt przemieniony jako mieszanina perlitu i cementytu.
18. Wpływ pierwiastków międzywęzłowych na strukturę i własności stopów żelaza - struktury stali i żeliw.
19. Rola substytucyjnych pierw. stopowych w obróbce cieplnej stopów żelaza - wpływ na strukturę i własności.
20. Stale konstrukcyjne węglowe i stopowe, ich rodzaje i typowe obróbki cieplne.
węglowe - zawierają do 0,7%C, ogólnego przeznaczenia są stosowane zwykle na mało odpowiedzialne konstrukcje i nie podlegają obróbce cieplnej. Zwykłej, wyższej i najwyższej jakości podział opiera się na max dopuszczalnych zawart. P i S.
stopowe - niskostopowe o podwyższonej wytrzymałości, do nawęglania, do ulepszania cieplnego, azotowania, sprężynowe, na łożyska toczne, dla budownictwa. Są stosowane do wyrobu części maszyn i konstrukcji. Własności zależą od stężenia węgla i pierwiastków stopowych. Po obróbce cieplnej zwiększają się własności mechaniczne, twardość, odporność na ścieranie. Poddaje się je hartowaniu i odpuszczaniu.
21.Stale narzędziowe węglowe i stopowe, ich rodzaje i typowe obróbki cieplne.
węglowe - płytko i głęboko hartujące się, należą do grupy stali wyższej jakości. Płytko - wykazują małą hartowność i wrażliwość na przegrzanie. Głęboko - hartowność większa i wyższa wrażliwość na przegrzanie. Są typowymi materiałami konstrukcyjnymi do pracy na zimno, bo zatracają swoja twardość.
stopowe - do produkcji narzędzi, kształtowania materiału na drodze obróbki skrawaniem i przeróbki plastycznej. Narz. do pracy na zimno-do wykonywania narzędzi do pracy z materiałem nie nagrzanym, zwiększona hartowność, wytrzymałość na zginanie i skręcanie, ciągliwość, odporność na ścieranie - wpływają na to pierwiastki Mo, Cr, Wolfram. Są hartowane i odpuszczane.
do pracy na gorąco- do wyrobu narzędzi pracujących w podwyższonych temp., nie jest wymagana zbyt duża twardość i odporność na ścieranie, ale wytrzymałość, twardość w wyższych temp., ciągliwość, odporność na zmęczenie termiczne. Mają niewielką zawartość węgla. Hartowanie i odpuszczanie w temp ok. 100 C.
szybkotnące- do skrawania materiałów z dużymi prędkościami. Wysoka hartowność, duża twardość, znaczna zawartość pierw. węglikotwórczych. Hartowanie i wysokie odpuszczanie.
22.Stale odporne na korozję, ich rodzaje, typowe wady, ich obróbka cieplna.
Stale odporne na korozję - nierdzewne i kwasoodporne. Ich podst. pierw. jest chrom, a także nikiel. Ze wzgl. na skład chemiczny wyróżnia się:
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.
23. Rodzaje żeliw, osnowy żeliw, rodzaje grafitu - własności i zastosowania żeliw.
Żeliwem nazywa się stop odlewniczy żelaza z węglem, zawierający teoretycznie powyżej 2% węgla, domieszki manganu i krzemu oraz zanieczyszczenia fosforu i siarki, pochodzące z procesu hutniczego. Żeliwo jest produktem otrzymanym z pieca - żeliwiaka. Podobny stop otrzymany z wielkiego pieca nazywamy surówką.
Żeliwa białe, w których węgiel występuje w postaci związanej (nie ma grafitu). Żeliwa te są twarde, kruche i nie nadają się do skrawania. Można je tylko szlifować. Są bardzo rzadko stosowane, zwykle są półproduktami do wytwarzania żeliwa ciągliwego.
Żeliwa szare, węgiel występuje w postaci płatków grafitowych nadających żeliwu kolor szary. W zależności od związanego węgla żeliwa szare dzielą się na: nadperlityczne, perlityczne, ferrytyczno - perlityczne, ferrytyczne. Żeliwo szare jest powszechnie stosowane jako tani materiał konstrukcyjny. Istnienie wtrąceń grafitowych polepsza skrawalność, nadaje własności przeciw ścierne i dużą zdolność do tłumienia drgań. Żeliwa szare źle pracują na rozciąganie, zginanie, trochę lepiej na ściskanie. Są dość kruche i mało plastyczne. Własności żeliwa szarego zależą od kształtu występującego w nim grafitu oraz osnowy, na której ten grafit jest rozłożony.
Żeliwa sferoidalne, w którym występują sferoidy grafitowe. Mają doskonałe własności wytrzymałościowe i plastyczne z możliwością dalszego ich polepszania przez zastosowanie obróbki cieplnej. Materiałem wyjściowym do otrzymania żeliwa sferoidalnego jest żeliwo skłonne do zakrzepnięcia jako szare, lecz o bardzo małej ilości zanieczyszczeń (siarki i fosforu).
Żeliwa ciągliwe, w którym występują kłaczki grafitowe tzw. węgiel wyżarzania. Żeliwa te otrzymuje się z żeliw białych poprzez obróbkę cieplną zwaną wyżarzaniem grafityzującym. Ze względu na strukturę wyróżnia się żeliwa ciągliwe białe (W), czarne (B), perlityczne (P).
Żeliwa stopowe, żeliwa do których dodaje się pierwiastki stopowe, w celu nadania im specjalnych własności, jak np. odporności na korozję, kwasoodporności, żaroodporności lub polepszenia własności mechanicznych.
Rodzaje grafitu- płatkowy, gwiazdkowy, postrzępiony, zwarty, kulkowy.
24. Stale i stopy żaroodporne i żarowytrzymałe.
Żaroodporność to odporność stopów na działanie chemicznych czynników gł. powietrza i spalin i gazów powyżej temp. 600 C. Jest związana ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Aby zwiększyć żaroodporność stali wprowadza się Cr, Si, Al. - utleniają się szybciej i wytwarzają na powierzchni zwartą przylegająca warstwę zgorzeliny, co hamuje proces dalszego utleniania. Żaroodporność zależy od skł. chemicznego: Cr-Al, Cr-Si, Cr-Ni. Stale żaroodporne stosowane są na urządzenia pracujące przy wysokich temp.
Żarowytrzymałość - zdolność do przenoszenia obciążeń przy wys. temp. i czasu. Uzależniona gł. jest od odporności na pełzanie. Mo, W,V,Co,Ti,Cr,Si - podwyższają temp. topnienia i rekryst. czyli żarwytrz. Zastosowanie: aparatura chemiczna, pieców, kotłów przemysłowych, części palników gazowych(ferrytyczne nie obciążone mechanicznie, austenityczne - obciążone).
Stopy - na osnowie żelaza z Cr i Ni; Cr-Ni-Co-Fe; na osnowie Co; na osnowie Ni; Stosowane na łopatki turbin, silników odrzutowych lotniczych.
25. 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. własności spiekanych magnesów są wyższe niż magnesów odlewanych.
26. Aluminium i jego stopy.
Aluminium jest metalem barwy srebrzystobiałej, bardzo miękkim i plastycznym. Występuje w przyrodzie w glinie, kaolinie i boksycie w postaci Al2O3. Temperatura topnienia aluminium wynosi 660˚C. Należy do grupy metali lekkich. Ma dobre przewodnictwo elektryczne (stanowi 66% przewodnictwa elektrycznego miedzi), odporność korozyjną i mały ciężar właściwy. Niskie własności wytrzymałościowe czystego aluminium ograniczają jego zastosowanie w postaci czystej jako materiału konstrukcyjnego.
Największe znaczenie i najbardziej rozpowszechnione spośród stopów odlewniczych aluminium są siluminy będące stopami aluminium zawierającymi 11 - 14% Si. Siluminy cechują się bardzo dobrymi własnościami odlewniczymi. Bardzo dobra lejność, mały skurcz i mała skłonność do pękania sprawia, że można z nich uzyskiwać droga odlewania elementy o skomplikowanych kształtach i cienkich ściankach.
Modyfikacja siluminów jest procesem prowadzonym w celu poprawy ich własności.
Modyfikację siluminów nadeutektycznych przeprowadza się za pomocą fosforu, a podeutektycznych za pomocą sodu. Proces modyfikacji powoduje dwukrotny wzrost wytrzymałości stopu.
Stopy do przeróbki plastycznej to stopy wieloskładnikowe zawierające najczęściej Mg i Mn lub Mg, Mn i Cu. Cecha tych stopów jest możliwość ich obróbki cieplnej w procesie utwardzania wydzieleniowego.
Siluminy Al-Mg są dobrze spawalne, mało wytrzymałościowe
Hydronalium zawiera Mg i Mn , stop wykazuje odporność na korozję wody morskiej.
Dural (Al-Cu) ma najlepsze właściwości wytrzymałościowe w wyniku utwardzania wydzieleniowego.
Utwardzanie wydzieleniowe - obróbka cieplna, której podlega szereg stopów aluminium. Składa się z dwóch następujących bezpośrednio po sobie procesów:
przesycania - proces podlegający na uzyskiwaniu przesyconego roztworu stałego. Osiąga się poprze nagrzanie stopu i szybkie schłodzenie .
starzenie - proces zachodzący wskutek dążenia przez stop znajdujący się w stanie metastabilnym do stanu równowagi.
27.Miedź i jej stopy.
Miedź jest metalem bardzo miękkim, o niskiej wytrzymałości na rozciąganie, o bardzo dobrych własnościach plastycznych. Ma barwę czerwonawą. Charakteryzuje się wysoką przewodnością elektryczną oraz przewodnictwem cieplnym. Na powietrzu czysta miedź pokrywa się warstwą zasadowego węglanu miedzi zw. patyną, która chroni przed korozją.
Mosiądze - stopy miedzi, w których głównym składnikiem jest cynk. Wzrost zawartości Zn w mosiądzach powoduje wzrost własności mechanicznych, a także zmianę zabarwienia. Mosiądze dzielimy ze względu na:
strukturę: jednofazowa, przejściowa, dwufazowa
skład chemiczny: specjalne, wieloskładnikowe, stopowe
zastosowanie : mosiądze odlewnicze, do przeróbki plastycznej
Mosiądze można obrabiać cieplnie. Wyżarzanie ujednoradniające prowadzone w temp. 800 - 500˚Cprowadzi do pewnego wyrównania składu chemicznego stopu wcześniej odlanego.
Ważną cechą mosiądzów jest odporność na korozję atmosferyczną. W pewnych warunkach jednak podlegają korozji. Do najgroźniejszych jej form można zaliczyć:
odcynkowanie - zachodzi w obecności niektórych elektrolitów zwłaszcza zawierających jony Cl. Zn i Cu przechodzą do roztworu, z którego następnie wydziela się z powrotem Cu w postaci gąbczastej.
sezonowe pękanie - korozja naprężeniowa - polega na selektywnym oddziaływaniu ośrodków korozyjnych na granice ziarn elementów z mosiądzu, w których występują naprężenia wewnętrzne.
Brązy - stopy miedzi z innymi metalami z wyjątkiem Zn i Ni. Poważnym ograniczeniem brązów jest ich wysoka cena ze względu na cynę, która jest drogim metalem.
W zależności od głównego składnika rozróżnia się brązy: cynowe, aluminiowe, berylowe. Ze względu na przeznaczenie: brązy odlewnicze i do przeróbki plastycznej.
Brązy cynowe (Cu-Sn) odlewnicze cechuje mały skurcz. Do przeróbki plastycznej stosuje się brązy o zawartości ok. 4-6% Sn. Stosuje się w przemyśle okrętowym, papierniczym, chemicznym i maszynowym.
Brązy aluminiowe (Cu-Al) stosuje się jako brązy odlewnicze i do przeróbki plastycznej (2-4%Al). Poddaje się je ulepszaniu cieplnemu. Mają dobre własności wytrzymałościowe. Są twarde.
Brązy berylowe (Cu-Be) wyróżniają się bardzo wysokimi własnościami mechanicznymi. Mają wysoką granicę plastyczności, dużą twardość i odporność na ścieranie. Odporność na korozję jest równa odporności miedzi. Mają zastosowanie w przemyśle wojskowym.
28. Polimery, struktura, własności - tworzywa termoplastyczne chemo i termoutwardzalne.
Polimery- związki wielocząstkowe spotykane w przyrodzie. Wewnątrz molekuły wyst. silne wiązania kowalencyjne, wzajemnemu przemieszczaniu się przeciwdziałają słabe wiązania Van der Waalsa. Siły te warunkują ułożenie molekuł w przestrzeni i ich uporządkowanie. struktura polimerów jest urozmaicona, jedne mają strukturę krystaliczną i in amorficzną
Termoplastyczne - maja strukturę liniową, rozgałęzioną lub lekko usieciowaną. Są to tworzywa, które pod wpływem temp. staja się plastyczne - przechodzą do stanu lepkopłynnego - i dają się formować. Po ostygnięciu zachowują zadany kształt. Stanowią ok. 90% światowej produkcji tworzyw sztucznych. (zast:rury, węże,butelki,ramy okienne, wykładziny,przemysł optyczny) Duża ciągliwość, mała wytrzymałość,
Termoutwardzalne - pod wpływem temp. sieciują przechodząc w stan szklisty. Przed utwardzeniem maja konsystencję gęstego oleju lub proszku. Stan utwardzenia jest stanem nieodwracalnym.(zast: laminaty, bakelit,gniazdka,klejeobudowy silników) Duża wytrzymałość, sztywność, twardość,
Chemoutwardzalne - materiały, które pod wpływem specjalnych inicjatorów, sieciując przechodzą ze stanu lepkiej cieczy w stan szklisty. Stan po utwardzeniu jest stanem nieodwracalnym.( zast.: ) Niska cena, odporne na korozję i gnicie, lekkie, łatwość formowania. zast: okrętownictwo,lotnictwo,budownictwo
29.Szkło, struktura, własności.
Szkło- bezpostaciowe ciało stałe złożone gł. z krzemianów, borków, aluminatów oraz związków grupy Ca i K. Osnowę szkła stanowi krzemionka SiO2. szkło uzyskane z czytej krzemionki posiada wys. temp. topnienia. Dla polepszenia własności technologicznych dodaje się do szkła dodatki co powoduje, że temp topnienia obniża się.
Własności: gęstość, wytrzymałość na zginanie, rozciąganie, udarność, twardość, wł. optyczne: przepuszcza światło, odbija, pochłania, wł. termiczne, chemiczne.
RODZAJE: wspienione (dodaje się substancje, które przy temp. zeszklenia wydzielają duże ilości gazu), o specjalnych własnościach elektrycznych, krystaliczne,
30.Ceramika inżynierska
korund- tlenek glinu Al2O3, minerał(przeźroczysty korund, domieszkowany niebieski - szafir, czerwony - rubin)Stosowany w jubilerstwie, elektronice, na narzędzia tnące; polikryształy - na narzędzia tnące, oczka, materiały scierne; świece samochodowe. twardośc9 wg Moosa
karbokorund - SiC Twardość 9,2 wg Moosa. Używany na elementy grzewcze pieców, materiał ścierny, tygle do wytopu szkła kwarcowego, nie utlenia się.
ThO2 -węglik toru - radioaktywny , używany w najwyższych temp. na tygle do wytopu rodu. platyny.
MgO - tlenek magnezu, magnezytowe materiały ogniotrwałe - skłonność do sublimacji, mała różnica T, na tygle do wytopu Fe, Zn,Al., Cu.
tlenek berylu - BeO - duża różnica T, sublimacja, środek trujący używany w reaktorach jądrowych.