1. Dany jest układ równowagi A-B jak na rysunku:
I Narysuj krzywą studzenia dla stopu o składzie c0,
II Określ udział fazy stałej i ciekłej w temperaturze Tx,
III Naszkicuj mikrostrukturę stopu w temperaturze pokojowej,
IV Czy którykolwiek ze stopów tego układu może być umacniany wydzieleniowo?(4pkt)

2. Co to jest żeliwo i jak jego struktura zależy od szybkości chłodzenia? (2pkt)
Żeliwem nazywamy odlewniczy stoop żelaza z węglem oraz innymi pierwiastkami, krzepnący
z przemianą eutektyczną, w którym ilość węgla przekracza zwykle zawartość 2% wagowych. Szybkie
chłodzenie sprzyja tworzeniu się żeliwa białego,

3. Co to jest żeliwo i jak jego właściwości zależą od struktury? (2pkt)
Ad.2. O właściwościach żeliwa decyduje przede wszystkim czy jest ono białe, szare czy
połowiczne. Żeliwo białe jest kruche i bardzo twarde, a co za tym idzie prawie nieobrabialne. Żeliwo
szare charakteryzuje się lepszą obrabialnością i ciągliwością, doskonałą lejnością, zdolnością do
tłumienia drgań oraz dobrą przewodnością cieplną. Żeliwo połowiczne posiada właściwości pośrednie
pomiędzy żeliwem białym i szarym.

4. Jaka jest ogólna zasada umacniania metali i stopów ? Opisz jedną z nich. (2pkt)

Zasada ta polega na blokowaniu ruchu dyslokacji przez różne metody (umacnianie

odkształceniowe, przez roztwór, wydzieleniowe i dyspersyjne, przez granice ziaren). Umacnianie
wydzieleniowe polega na wytworzeniu w materiale przeszkód dla ruchu dyslokacji, czego efektem
jest wzrost granicy plastyczności. Przeszkody są wytwarzane podczas dwustopniowej obróbki
cieplnej: przesycanie i starzenie.

5. Jaka jest różnica między hartowaniem i przesycaniem? (1pkt)

Różnica między hartowaniem a przesycaniem polega na tym, że przy przesycaniu unika się

wystąpienia przemiany martenzytycznej. Technologicznie jest to taki sam proces.

6. Co to jest ulepszanie cieplne i dlaczego elementy przed azotowaniem są wcześniej ulepszane
cieplnie? (2pkt)

Ulepszanie cieplne to połączenie hartowania z wysokim lub średnim odpuszczaniem.

Ulepszanie prowadzi do wzrostu wytrzymałości na rozciąganie, wzrostu właściwości plastycznych i
spadku twardości. Stale poddaje się ulepszaniu cieplnemu przed azotowaniem w celu zapewnienia
wymaganej sztywności.

7. Co to jest azotowanie, do jakich stali jest stosowane i w jakim celu?

Azotowanie to obróbka cieplno-chemiczna stopów Fe-C, polegająca na wzbogaceniu warstwy

powierzchniowej obrabianego elementu w azot. Azotowanie stosuje się głównie do stali
konstrukcyjnych średniowęglowych, zawierających dodatkowo pierwiastki aktywne względem azotu:
Al., Ti, Mo oraz V. Celem zabiegu jest zwykle uzyskanie bardzo dużej twardości powierzchniowej, a
przez to dużej odporności na ścieranie oraz zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej, a tylko
niekiedy zwiększenie odporności na czynniki środowiska (woda, powietrze).

8. Co to jest nawęglanie, do jakich stali jest stosowane i w jakim celu?

Nawęglanie to obróbka cieplno-chemiczna stopów Fe-C, polegająca na wzbogaceniu warstwy

powierzchniowej obrabianego elementu w węgiel. Stosuje się je przede wszystkim do stali
konstrukcyjnych niskowęglowych, a tylko czasami do stali o zawartości węgla ok. 0,35%. Zasadniczym
celem nawęglania jest przygotowanie elementów do hartowania i odpuszczania, które zapewniają
odpowiednią twardość powierzchni przy zachowaniu wysokich własności plastycznych rdzenia.

9. Jakie są podstawowe różnice między nawęglaniem a azotowaniem? Dlaczego do azotowania
stosuje się stale średniowęglowe ulepszone cieplnie?

Nawęglanie wzbogaca powierzchnię w węgiel, natomiast azotowanie w azot. Nawęglanie

stosowane jest przede wszystkim do stali niskowęglowych, a azotowanie do stali średniowęgowych.
Do azotowania stosuje się stale średniowęglowe uprzednio ulepszone cieplnie, ponieważ umożliwiają
one utworzenie trwałych faz azotowych o wysokiej twardości.

10. Co to jest umacnianie odkształceniowe i jak można usunąć jego skutki?
Umacnianie odkształceniowe to metoda umacniania materiałów plastycznych, polegająca na
zwiększeniu gęstości dyslokacji w materiale, w celu wzajemnego blokowania się dyslokacji
poruszających się w różnych płaszczyznach poślizgu. Niekiedy proces ten prowadzi do takiego
umocnienia, które niszczy kształtowany wyrób. W takim wypadku materiał należy poddać tzw.
wyżarzaniu międzyoperacyjnemu.

11. Omówić zjawiska zachodzące podczas ogrzewania metalu, uprzednio odkształconego przez
zgniot na zimno.
Podczas ogrzewania metalu uprzednio odkształconego przez zgniot występują trzy etapy:
zdrowienie, rekrystalizacja i rozrost ziaren. Zdrowienie polega na przegrupowaniu dyslokacji, któremu
towarzyszy stosunkowo niewielkie zmniejszenie ich gęstości. Umożliwia to zanik naprężeń własnych i
przywrócenie własności plastycznych przy zachowaniu wysokich własności wytrzymałościowych.
Rekrystalizacja jest drugim stadium, przebiegającym w wyższej temperaturze niż zdrowienie. Polega
na zarodkowaniu nowych ziaren wolnych od dyslokacji. W rezultacie zanika umocnienie i całkowicie
przywrócone są właściwości plastyczne. W trzecim stadium zachodzi rozrost ziaren, który jest zwykle

niepożądany, ponieważ najczęściej pogarsza własności materiałów.

12. Co to są brązy, a co to są mosiądze?
Mosiądz to stop miedzi i cynku, zawierający do 40% cynku. Może zawierać dodatki innych
metali, takich jak ołów, aluminium, cyna, mangan, żelazo, chrom oraz krzem. Brązy to stopy miedzi,
których głównymi dodatkami stopowymi nie są cynk i nikiel. Klasyczne brązy to stopy miedzi z cyną.

13. Co to są siluminy? Podaj ich klasyfikację oraz cel stosowania modyfikacji siluminów
nadeutektycznych.

Siluminy to stopy aluminium z dodatkiem krzemu oraz innymi dodatkami (o mniejszym

udziale procentowym). Odporny na korozję, o dobrej lejności, małym skurczu i małą skłonnością do
pękania. Wyróżnia się wśród nich siluminy podeutektyczne (4-10% Si), okołoeutektyczne (10-13% Si) i
nadeutektyczne (17-30% Si). Podstawowym celem modyfikacji siluminów nadeutektycznych jest
zmiana kształtu wydzieleni krzemu pierwotnego, co realizuje się przez dodanie związków fosforu.

14. Co to są siluminy? Podaj ich klasyfikację oraz cel stosowania modyfikacji siluminów
podeutektycznych.
Ad.13. W celu rozdrobnienia krzemu eutektycznego w siluminach podeutektycznych stosuje
się modyfikację za pomocą sodu lub jego związków. Ponieważ efekt modyfikacji zanika po
kilkudziesięciu minutach, więc niekiedy stosuje się modyfikację trwałą z wykorzystaniem strontu.
Obok tego przeprowadza się zabieg rozdrabniania dendrytów roztworu stałego α za pośrednictwem
związków Ti (TiB, TiC).

15. Co to jest hartowność, a co utwardzalność stali? W jaki sposób można zwiększyć hartowność
stali.
Hartowność jest zdolnością stali do tworzenia struktury martenzytycznej podczas chłodzenia
od temp. austenityzacji. Utwardzalność to podatność stali na hartowanie, wyrażona najwyższą
twardością, jaką można osiągnąć w wyniku hartowania. Węgiel oraz wszystkie dodatki stopowe
(poza kobaltem) zwiększają hartowność stali. Również jednorodność oraz wielkość ziaren austenitu
zwiększają hartowność.

16. Co to jest hartowność a co utwardzalność stali? W jaki sposób można zwiększyć utwardzalność
stali?
Ad. 15. Utwardzalność zależy od warunków austenityzowania i stężenia węgla w austenicie.

17. Co to są stale konstrukcyjne i jakim obróbkom są poddawane?
Stal używana do budowy konstrukcji stalowych, części urządzeń i maszyn o typowym
przeznaczeniu. S.k. poddawane są: stale niestopowe: nawęglaniu, azotowaniu oraz ulepszaniu
cieplnemu; stopowe: ulepszaniu cieplnemu, hartowaniu powierzchniowemu, nawęglaniu oraz
azotowaniu.

18. Co to są stale narzędziowe i jakim obróbkom są poddawane?
Stale narzędziowe, jak wynika z samej nazwy, są to stale stosowane na różnego rodzaju
narzędzia, którymi są przedmioty służące do kształtowania innych materiałów. S.N. są podzielone
formalnie na 3 grupy objęte normą: s.n. niestopowe (węglowe), s.n. stopowe (do pracy na zimno i na
gorąco), stale szybkotnące. S.n. niestopowe oraz stopowe do pracy na zimno poddaje się hartowaniu
i odpuszczaniu; s.n. stopowe do pracy na gorąco – obróbce cieplnej, cieplno-plastycznej oraz cieplno-
chemicznej; s.n. szybkotnące – hartowaniu i dwukrotnemu odpuszczaniu.

19. Narysować krzywe zmian twardości podczas starzenia siluminów w funkcji czasu i temperatury.

20. Jaka jest różnica między przemianą eutektyczną a eutektoidalną?

Mechanizm przemiany eutektoidalnej jest bardzo zbliżony do przemiany eutektycznej.

Główna różnica polega na tym, że eutektyka powstaje z fazy ciekłej, eutektoid zaś przez wydzielenie z
fazy stałej.

21. Omówić zjawiska zachodzące podczas przesycania i starzenia stopów Al.

Przesycanie polega na wyżarzeniu stopu w podwyższonej temp. celem rozpuszczenia w Al

odpowiednio dużej ilości dodatku stopowego. Jeśli stop jest wolno chłodzony, wówczas nadmiar
składnika stopowego wydziela się w postaci dużych cząstek, ulokowanych na granicy ziaren. Po
wyżarzaniu ‘rozpuszczającym’ stosuje się szybkie chłodzenie umożliwiające zatrzymanie nadmiaru
składnika stopowego, czyli przesycenie roztworu stałego. Przesycony roztwór będzie zawierał
nadwyżkę energii swobodnej, którą będzie starał się wydzielić na drodze wydzielenia nadmiaru
składnika przesycającego. Może to przebiegać samorzutnie w temp. otoczenia lub dopiero po jej
podwyższeniu. Szczególnie korzystny jest drugi wariant , umożliwiający precyzyjne sterowanie
procesem wydzielenia za pomocą czasu izotermicznego starzenia, dzięki któremu można uzyskać
strukturę z drobnymi wydzieleniami, równomiernie rozłożonymi w całej objętości ziarna.

22. Omówić zjawiska zachodzące podczas odpuszczania stali.
I Na początku odpuszczania (80-200°C) z martenzytu wydzielają się płytki węglika epsilon. Tworzenie
węglika odbywa się kosztem zmniejszenia przesycenia martenzytu. Dzięki temu jest możliwość
utworzenia martenzytu z austenitu szczątkowego.
II W drugim etapie, obejmującym temperaturę 200-300°C, martenzyt przekształca się w martenzyt
regularny.
III W kolejny etapie (300-400°C) wydziela się cementyt, a węglik epsilon zmienia się w Fe3C.
Powstaje mieszanina ferrytu i Fe3C.
IV W ostatnim stadium, w temp. powyżej 400°C, cementyt przybiera postać sferoidalną.

23. Co to jest hartowanie i jaki jest jego podstawowy cel? W jaki sposób można zwiększyć
hartowność stali?

Hartowanie to zabieg obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu stali w celu utworzenia

austenity z następnym szybkim chłodzeniem dla utworzenia martenzytu (niekiedy bainitu).
Hartowanie prowadzi do otrzymania struktury nierównowagowej. Celem obróbki jest zwiększenie
twardości materiału, co powoduje zmniejszenie ciągliwości. Ze względu na kruchość po hartowaniu
stosuje się odpuszczanie. Hartowność zależy od składu chemicznego i wielkości ziaren austenitu.
Węgiel i wszystkie dodatki stopowe (z wyjątkiem kobaltu) zwiększają hartowność stali. Większa
jednorodność austenitu korzystnie oddziałuje na hartowność. Im większe ziarna austenitu tym
większa hartowność.

24. Co to jest granica plastyczności i dlaczego jej wartość jest wielokrotnie niższa niż obliczona
teoretycznie?

Granica plastyczności to wartość naprężenia przy którym zaczynają powstawać

nieodwracalne odkształcenia plastyczne.

25. Co to jest i w wyniku jakiej obróbki otrzymuje się żeliwo ADI? Wytłumacz dlaczego żeliwo ADI
może konkurować ze stopami metali lekkich.

Żeliwo ADI to żeliwo sferoidalne, w którym grafit ma postać kulek otoczonych przez

charakterystyczne igły ausferrytu, charakteryzujące się znaczną wytrzymałością oraz wysoką
twardością, przy obniżonych wydłużeniu, wiązkości i skrawalności. Żeliwo ADI otrzymuje się w wyniku
izotermicznego hartowania żeliwa z grafitem kulkowym w taki sposób, by nie dopuścić do powstania
bainitu. Żeliwo ADI jest tworzywem o unikalnych właściwościach, łączącym wysoką wytrzymałość na
rozciąganie i odporność na ścieranie z bardzo dobrą plastycznością, dzięki którym znajduje
zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu jako substytut dla stopów metali lekkich. Dodatkowym
atutem są niskie koszty wytwarzania żeliwa ADI.

26. Co to są stale narzędziowe? Jakie warunki powinny spełniać i jakie są podstawowe wymagania
stawiane stalom narzędziowym do pracy na gorąco?

Stale narzędziowe, jak wynika z samej nazwy, są to stale stosowane na różnego rodzaju

narzędzia, którymi są przedmioty służące do kształtowania innych materiałów. S.n. do pracy na
gorąco stosuje się na narzędzia do pracy w temp. 250-700 st. C. Wymagania stawiane s.n.: odporność
na odkształcenia w temp. pracy, odporność na obciążenia dynamiczne i działanie karbu, odporność
erozyjna, odporność na zmęczenie cieplne, nieznaczne zmiany kształtu podczas obróbki cieplnej.

27. Jakie są warunki konieczne, aby możliwe było umacnianie wydzieleniowe? Czy czyste Al można
umacniać wydzieleniowo?

Utwardzanie wydzieleniowe jest możliwe tylko dla stopów: w których dodatek stopowy

częściowo rozpuszcza się w osnowie, w wysokich temperaturach tworzy z osnową roztwór stały
graniczny oraz gdy przy obniżaniu temperatury wykazuje małą rozpuszczalność graniczną. Nie można.

28. Co to znaczy, że metale są sprężysto-plastyczne a ceramika sprężysto krucha?

Materiały metalowe są sprężysto-plastyczne, ponieważ pewnym zakresie obciążenia

odkształcenie ich jest proporcjonalne do naprężenia (prawo Hooke’a). Z chwilą przekroczenia
krytycznej wartości naprężenia, czyli granicy plastyczności zaczynają odkształcać się trwale –
plastycznie. Ceramika jest sprężysto-krucha, ponieważ ma mały zakres sprężystości. Praktycznie brak
jej plastyczności. Niewielkie odkształcenie powoduje nagłe zniszczenie materiału.

30. Co to jest dyfuzja i która z identycznych próbek wykonanych z tego samego materiału; a-
drobno i b - gruboziarnista, będą wykazywać większą dyfuzyjność i dlaczego?

Proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek w danym ośrodku. Większą

dyfuzyjność będzie wykazywała próbka A, ponieważ granic ziaren jest dużo. Granice ziaren stanowią
defekty powierzchniowe i powodują że gęstość ułożenia atomów w ich obszarze jest mniejsza niż w
sieci, co ułatwia przeskoki atomów.

31. ... a-umocniona przez zgniot na zimno, b- wyżarzona?

Próbka po zgniocie, bo będzie zawierała dyslokacje, stanowiące ułatwioną drogę dla

przemieszczania się atomów.

32. Co jest warunkiem umacniania przez roztwór?
Warunkiem umocnienia przez roztwór jest obecność pierwiastków stopowych i różnica w
wielkości promienia atomowego.

34. Dlaczego Ti nazywamy metalem XXI wieku?

Gwałtowny rozwój przemysłu produkującego wyroby ze stopów tytanu najlepiej świadczy o

wyjątkowych właściwościach Ti, z których na pierwszym miejscu należy wymienić wysoką
wytrzymałość właściwą oraz odporność na korozję. Materiał ten nazywany jest metalem XXI wiek,
ponieważ od niedawna jego zastosowanie znacznie się poszerzyło i niemal w każdej dziedzinie można
doszukać się powiązań z wykorzystaniem tytanu. Na taki stan rzeczy ma wpływ systematyczne
zmniejszenie kosztów wytwarzania tytanu.

35. Co to jest żeliwo szare i jaki jest cel modyfikacji żeliwa szarego?

Żeliwo szare stanowi olbrzymią grupę odlewniczych stopów Fe-C, w których węgiel występuje

w postaci wolnej, tj. grafitu, a ilość węgla związanego (Fe3C) nie przekracza ilości charakterystycznej
dla perlitu (o,8%). Celem modyfikacji ż.sz. jest rozdrobnienie płatków grafitu, które prowadzi do
otrzymania drobnodyspersyjnego grafitu płatkowego, równomiernie rozłożonego w osnowie
perlitycznej.

36. Co to jest Moduł Weibulla?

Moduł Weibull’a informuje o tym, jak szybko zmniejsza się wytrzymałość, gdy naprężenie

dąży do σ0. Im mniejszy moduł tym mniejsza szansa, że wiele próbek przetrwa obciążenie.

37. Od czego zależy wytrzymałość ceramiki konstrukcyjnej?
Wytrzymałość ceramiki konstrukcyjnej zależy od wielu czynników zarówno wewnętrznych,
jak i zewnętrznych, w tym: mikrostruktury, stanu powierzchni, wielkości i kształtu próbki, stałości
obciążenia, środowiska i temperatury. Na ogół materiały gruboziarniste są mniej wytrzymałe niż
drobnoziarniste.

38. Dlaczego w wysokich temperaturach pracy nieskuteczne jest umacnianie przez rozdrobnienie
ziaren?
Umacnianie przez rozdrobnienie ziaren polega na zwiększeniu ilości defektów płaskich jakimi
są granice ziaren. Jeśli zastosujemy ten rodzaj umacniania dla materiału, który pracuje w wysokich
temperaturach, okaże się ono zupełnie nieskuteczne. Powodem jest zachodząca mimowolnie w tych
materiałach obróbka cieplna, która spowoduje zmianę struktury, a mianowicie zlikwidowanie
wcześniej wspomnianych defektów płaskich. Umacnianie stanie się nieskuteczne, a materiał będzie
posiadał właściwości identyczne jak sprzed umacniania przez rozdrobnienie ziaren.