Opracował: B. Ziółkowski wersja na s. zimowy 2008 (poprawiona 13.12.2008)

Materiałoznawstwo II

Wydział Mechaniczny, kierunek Transport 2008/2009 semestr zimowy

(kurs 15W, studia dzienne, rok I - Wrocław i filia Jelenia Góra)

Zakres materiału wyłożony na wykładzie i wymagany na egzaminie

(zagadnienia, pytania i wskazówki, zalecana literatura)

I. Podstawy obróbki cieplnej na przykładzie stopów żelaza z węglem

(literatura zalecana [1], tzn. R. Haimann, Metaloznawstwo, skrypt P.Wr., Wrocław 1980)

(ten fragment wykładu ma charakter „logiczny” i będzie preferowany na egzaminie)

1. Przemiana perlit-austenit (dyfuzyjna)- zarodkowanie, wzrost zarodków, problem otrzymywania austenitu jednorodnego.

1.1. Rozrost ziarna austenitu - pojęcia: stal drobnoziarnista i gruboziarnista. Wpływ wielkości ziarna na właściwości.

2. Przemiana austenit-perlit (przemiana dyfuzyjna),

- zarodkowanie, powstawanie i wzrost kolonii perlitu (dlaczego powstaje struktura płytkowa?),

- kinetyka przemiany, szybkość przemiany v = f(ΔT),

- wykres izotermicznego rozpadu austenitu (CTPi) dla stali eutektoidalnej,

- różnice w strukturze i właściwościach w zależności od przechłodzenia.

3. Przemiana martenzytyczna przechłodzonego austenitu (przemiana bezdyfuzyjna, alotropowa ( czego w co?),

- warunek, przebieg i kinetyka przemiany (dlaczego przemiana wymaga ciągłego wzrostu przechłodzenia?),

- powstawanie i orientacja płytek (listew) martenzytu (od czego zależy ich wielkość? i dlaczego określona orientacja?),

- stopień tetragonalności martenzytu (przesyconego ferrytu) - przyczyna zjawiska i konsekwencje,

- temperatury M_s i M_f = f(%C), austenit nieprzemieniony (od czego zależy jego ilość?),

- właściwości martenzytu (co to jest martenzyt?), wpływ zawartości węgla na twardość martenzytu, jakie mechanizmy

(czynniki) powodują jego umocnienie?

5. Przemiana bainityczna przechłodzonego austenitu,

- warunki i przebieg przemiany w górnym i dolnym zakresie temperatur,

- morfologia i właściwości bainitu górnego i dolnego

6. Wykresy CTPi dla stali nieeutektoidalnych,

- quasieutektoid - warunki powstawania, budowa i zawartość C, wpływ jego obecności na strukturę i właściwości stali,

7. Wykresy CTPc i ich znaczenie praktyczne, różnice w stosunku do CTPi,

8. Procesy zachodzące w trakcie odpuszczania stali zahartowanej na martenzyt.

Stadia odpuszczania na przykładzie krzywej dylatometrycznej i krzywej zmiany twardości.

9. Martenzyt odpuszczania (I stadium odpuszczania)

- morfologia struktury (definicja),

- od czego zależy temperatura początku jego powstawania,

- właściwości; dlaczego twardość martenzytu odpuszczania nie różni się istotnie od twardości martenzytu hartowania

(zamiana sposobu umocnienia - zamiast silnego przesycenia działa umocnienie wydzieleniowe).

10. Rozpad austenitu nieprzemienionego (II stadium odpuszczania - struktura jest nadal martenzytem odpuszczania),

- przyczyny, mechanizm, morfologia powstałej struktury oraz właściwości (uwaga: nieodwracalna kruchość odpuszczania).

11. Trostyt odpuszczania (III stadium),

- morfologia struktury, przyczyna i proces (mechanizm) powstawania, właściwości.

12. Sorbit odpuszczania (IV stadium),

- morfologia struktury, przyczyna i proces powstawania, właściwości.

13. Rekrystalizacja zgniotu fazowego (całkowita powyżej ok. 650 ºC, tzn. znika iglasta pomartenzytyczna struktura ferrytu),

- temperatura, zmiany struktury, jaki proces odpuszczania zachodzi równolegle,

- morfologia, właściwości i nazwa powstałej struktury (sferoidyt)

14. Technologiczny podział temperatur odpuszczania na: niskie, średnie i wysokie,

- zakres temperatur, struktura, właściwości i typowe zastosowania,

(uwzględnić punkt odniesienia, tzn. stan wyjściowy materiału, np. po normalizowaniu).

15. Prawidłowe temperatury hartowania (tzn. austenityzowania przed hartowaniem) stali przed- i zaeutektoidalnych,

- uzasadnienie prawidłowej struktury wyjściowej (przed hartowaniem),

- uzasadnienie prawidłowej temperatury hartowania stali zaeutektoidalnych.

16. Wybrane zagadnienia technologii obróbki cieplnej,

- sposoby hartowania (uwzględnić przebieg chłodzenia powierzchni i rdzenia przedmiotu)

- hartowanie zwykłe oraz z podchładzaniem (zalety i wady),

- hartowanie w dwóch ośrodkach (zalety i wady),

- hartowanie stopniowe (zalety i wady),

- hartowanie izotermiczne (np. na bainit dolny) - zalety i wady

17. Hartowność

-definicja, założenia (tzn. twardość strefy półmartenzytycznej = f (%C),

- średnica krytyczna D_k oraz idealna średnica krytyczna D_∞ ;nomogramy Grossmana,

- próba Jominy′iego pomiaru hartowności (założenia próby),

- krzywa i pasmo hartowności,

- nomogramy do wyznaczania D_∞ dla różnych od 50% udziałów martenzytu.

18. Rodzaje wyżarzania (głównie: zupełne, normalizujące, sferoidyzujące)

- parametry, cele, otrzymane struktury i właściwości,

- różnice w strukturze po wyżarzaniu zupełnym i normalizującym (uwaga: quasieutektoid!).

19. Hartowanie powierzchniowe,

- cel, zawartość węgla, sposoby hartowania,

- struktura rdzenia czyli stan wyjściowy przed hartowaniem powierzchniowym (normalizowanie lub sorbit odp. - dlaczego?)

- prawidłowa struktura powierzchni po hartowaniu i odpuszczaniu.

20. Obróbka cieplno - chemiczna,

- nawęglanie,

- cel, zawartość węgla w rdzeniu i na powierzchni, sposoby nawęglania, potencjał węglowy,

- obróbka cieplna po nawęglaniu - dlaczego są problemy?,

- prawidłowe struktury i właściwości rdzenia i powierzchni,

- azotowanie,

- cel, zawartość węgla i dodatków stopowych, struktura, sposoby i temperatura azotowania,

- obróbka cieplna przed azotowaniem,

- prawidłowa struktura i właściwości rdzenia i powierzchni,

- porównanie wad i zalet hartowania powierzchniowego, nawęglania i azotowania.

II. Wpływ dodatków stopowych na właściwości i obróbkę cieplną stali

(literatura zalecana [1], [2] lub [2a])

(ten fragment wykładu ma również charakter „logiczny” i będzie preferowany na egzaminie)

1. Wpływ dodatków stopowych na wykres równowagi - wykresy z poszerzonym, otwartym i zamkniętym polem austenitu.

2. Fazy występujące w stalach stopowych,

- ferryt stopowy - wpływ dodatków stopowych na własności ferrytu (głównie: Mn, Cr, Si, Ni),

- austenit stopowy - wpływ dodatków stopowych na własności austenitu (bardziej ogólnie),

- cementyt stopowy - wpływ dodatków stopowych na trwałość cementytu (np. Mn i Cr kontra Si i Ni),

- węgliki w stalach stopowych, trwałość węglików, węgliki proste i złożone.

3. Wpływ dodatków stopowych na przemiany przechłodzonego austenitu (wykres CTPi, M_s i M_f, austenit nieprzemieniony)

4. Wpływ dodatków stopowych na hartowność stali (ogólnie plus metoda obliczeniowa Grossmana)

5. Wpływ dodatków stopowych na przebieg procesów odpuszczania stali,

- rozdzielić ten wpływ na temperatury niższe lub wyższe od około 450°C (początek zauważalnej dyfuzji M),

- zjawisko twardości wtórnej (wyjaśnić przyczynę, jakie pierwiastki i dlaczego ją umożliwiają?).

6. Nieodwracalna i odwracalna kruchość odpuszczania stali (jak unikać konsekwencji tych kruchości?)

III. Klasyfikacja, właściwości i zastosowanie stali

(literatura zalecana: dostarczone na wykładzie materiały, [2a], inne podręczniki wydane po 2002 roku)

1. Klasyfikacje stali i staliw

- klasyfikacja według struktury w stanie równowagi:

- przedeutektoidalne, eutektoidalne, zaeutektoidalne, ledeburytyczne oraz stopowe: ferrytyczne, austenityczne,

- klasyfikacja według struktury po normalizowaniu (chłodzeniu na powietrzu):

- perlityczne, bainityczne, martenzytyczne, austenityczne,

- klasyfikacja na podstawie składu chemicznego: niestopowe, stopowe (nisko-, średnio- i wysokostopowe)

- klasyfikacja na klasy jakości (PN-EN 100020):

- jakościowe, specjalne (klasa podstawowe od 2003 nie istnieje)

- klasyfikacja ze względu na zastosowanie:

- konstrukcyjne (ogólna charakterystyka całej grupy stali oraz trzech głównych podgrup, tzn. stawiane im wymagania i

ich realizacja składem chemicznym i obróbką cieplną, główne kryteria doboru)

- maszynowe (j.w.)

- pozostałe (wybrane przykłady).

2. Systemy oznaczania stali stosowane w Unii Europejskiej

- numeryczny wg PN-EN 10027-2:1994 (numer stali składa się tylko z cyfr),

- znakowy wg PN-EN 10027-1:1994 (znak stali składa się z symboli literowych i cyfr),

- znaki zawierające symbole wskazujące na zastosowanie oraz mechaniczne lub fizyczne właściwości stali,

- znaki zawierające symbole wskazujące na skład chemiczny stali,

4. Omówienie wybranych grup stali zgodnie z podanym niżej schematem:

- ogólnie przeznaczenie całej grupy lub wskazanej podgrupy stali,

- wymagania ogólne stawiane całej grupie (podgrupie) i szczególne wybranym gatunkom,

- realizacja tych wymagań składem chemicznym (uzasadnić C i rolę dodatków stopowych) oraz obróbką cieplną,

- główne i dodatkowe kryteria doboru stali w grupie,

- przykłady charakterystycznych zastosowań.

- wybrane grupy (podgrupy) stali, które należy umieć omawiać szerzej:

- konstrukcyjne łatwo spawalne wg EN 10025, np. S235J2,

- konstrukcyjne łatwo spawalne drobnoziarniste wg EN 10113, np. S355N, S355M,

(stan dostawy: N oraz M, różnice)

- proces cieplno plastyczny (walcowanie normalizujące oraz termomechaniczne) [4],

- konstrukcyjne łatwo spawalne trudnordzewiejące wg EN 10155, np. S235J0W,

- stale do kształtowania na zimno wg [4],

- stale miękkie, np. DC01, DC06,

- stale o podwyższonej wytrzymałości, np. BH, IF, DP, TRIP, MS,

- maszynowe do ulepszania cieplnego wg EN 10083-2, np. C40E, 28Mn6, 42CrMo4, 30CrNiMo8,

- maszynowe do ulepszania cieplnego, stale z borem wg EN 10083-3, np. 33MnCrB6-2,

- maszynowe umacniane wydzieleniowo wg EN 10267, np. 40MnV6,

- maszynowe do nawęglania niestopowe, np. 10, 20 i stopowe wg EN 10084, np. 16MnCr5, 18CrMo4,

- maszynowe do azotowania (tylko stopowe - dlaczego?) wg EN 10085, np. 34CrAlMo5-10,

- maszynowe stale automatowe wg EN 10087, np. 11SMnPb30, 10SPb20, 38SMnPb28,

- stale sprężynowe niestopowe, np. 65, 85 i stopowe wg EN 10132, np. 56Si7, 80CrV2, 125Cr2,

- stale wysokochromowych odporne na korozję wg EN 10088,

- stale ferrytyczne, np. X6Cr13, X3CrTi17,

- stale martenzytyczne, np. X30Cr13, X105CrMo17,

- stale martenzytyczne umacniane wydzieleniowo, np. X5CrNiMoCuNb14-5, X8CrMoAl15-7-2,

- stale austenityczne, np.X2CrNi18-9, X6CrNiTi18-10, X2CrNiMo17-12-2,

- stale ferrytyczno-austenityczne, np. X2CrNiN23-4, X2CrNiMoN22-5-3,

IV. Stopy aluminium

(literatura zalecana: dostarczone na wykładzie materiały, [2] - wydanie starsze lub nowsze, [3])

1. Aluminium, jego charakterystyczne właściwości i zastosowanie.

2. Klasyfikacja stopów aluminium (na podstawie położenia na wykresach równowagi)

- stopy do obróbki plastycznej,

- stopy nie utwardzalne wydzieleniowo (możliwe utwardzanie zgniotowe oprócz roztworowego), np. Al-Mn (alumany),

- stopy do utwardzania wydzieleniowego, np. Al-Cu (durale) lub nowocześniejsze Al.-Li (około 10% lżejsze),

- obróbka cieplna, tzn. przesycanie i starzenie (naturalne lub przyśpieszone) - istota tych procesów

- stopy odlewnicze, np. Al.-Si (siluminy)

3. Stopy odlewnicze.

- stopy odlewnicze z eutektyką (Al-Si) - siluminy (przedeutektyczne, eutektyczne, zaeutektyczne),

- modyfikowanie stopów odlewniczych na przykładzie stopów Al-Si (cel, zmiany struktury i właściwości),

- metody odlewania stopów aluminium,

- stopy odlewnicze bez eutektyki (Al-Mg, Al-Cu, Al-Zn)

- stopy odlewnicze Al-Mg (poza siluminami najczęściej stosowane stopy odlewnicze Al)

4. Stopy do obróbki plastycznej.

- stopy Al-Cu utwardzane wydzieleniowo (durale) - szeroko,

- procesy i mechanizmy utwardzania wydzieleniowego na przykładzie AlCu4 [3],

- cztery stadia starzenia - zmiany struktury i właściwości,

- starzenie naturalne i sztuczne,

- wieloskładnikowe durale serii 2000 (Al-Cu),

- wieloskładnikowe durale serii 7000 (Al-Zn),

- wieloskładnikowe durale serii 8000 (Al-Li),

- wieloskładnikowe stopy Al-Mg (hydronalia) - serie 5000 oraz 6000,

- stopy Al-Mn (alumany) - seria 3000 (nie utwardzane wydzieleniowo),

V. Stopy miedzi

(literatura zalecana: dostarczone na wykładzie i ćwiczeniach materiały opracowane przez dr inż. Bogumiłę Kuźnicką, a także

[1], [2] - wydanie starsze lub nowsze oraz [3], [4a])

Uwaga: umówiliśmy się, że stopy miedzi rozliczamy całkowicie na ćwiczeniach więc egzamin ich nie obejmuje.

Literatura:

[1] R. Haimann, Metaloznawstwo, skrypt P.Wr., Wrocław 1980

[2] L. A. Dobrzański, Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach, WNT, 1996,

[2a] L. A. Dobrzański, Materiałoznawstwo, WNT, 2003 oraz 2006 (dobre pozycje ale bardzo drogie - ok. 250zł)

[3] M. F. Ashby, D. R. H. Jones, Materiały inżynierskie, t. 2, WNT,1996,

[4] M. Blicharski, Inżynieria materiałowa. Stal, WNT 2004 (nowa pozycja - cena ok.50zl) - nowe normy EN

[4a] M. Blicharski, Wstęp do inżynierii materiałowej, WNT 1998 lub 2001,

[5] L. A. Dobrzański, Metalowe materiały inżynierskie, WNT 2004 (nowa pozycja - cena ok. 120zł) - nowe normy EN,

4

---