M e t a l o z n a w s t w o i o b r ó b k a c i e p l n a S t r o n a | 1
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
METALOZNAWSTWO I OBRÓBKA CIEPLNA
1. Na czym polega ró\
nica między pierwiastkiem chemicznym, nuklidem i izotopem?
Pierwiastek chemiczny to substancja, której nie da się chemicznymi sposobami rozło\
yć na substancje
prostsze. Wg teorii atomowej pierwiastki to substancje składające się z atomów o tej samej liczbie
protonów w jądrze (tej samej liczbie atomowej).
Nuklid  w fizyce jądrowej jądro atomowe o określonej liczbie protonów i neutronów.
Izotopy  nazywa się tak atomy, z takimi nuklidami (jako jądra), które posiadają stałą liczbę
protonów, a ró\
nią się liczbą neutronów (stały ładunek i ró\
ne liczby masowe).
2. Jak zbudowany jest atom?
Atomy składają się z jądra (neutrony i protony) i otaczających to jądro elektronów. Większość masy to
jÄ…dro, poniewa\
protony i neutrony są około 2000 razy cię\
sze od elektronów.
3. Co opisują liczby kwantowe i jakie jest ich znaczenie przy określaniu stanu energetycznego
elektronu?
Liczby kwantowe  parametry całkowite lub ułamkowe opisujące energię i inne własności układów
kwantowych. Występują liczby takie jak:
n (główna liczba kwantowa -> n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 lub 7, n >=1)  oznacza wartość energetyczną (nr
orbity elektronu);
l (poboczna liczba kwantowa -> l = 0, 1, 2, 3, 4, 5 lub 6, l =< n  1)  wartość bezwzględna
orbitalnego momentu pędu;
m (magnetyczna l.k. -> -l =< m <= +l)  rzut orbitalnego momentu pędu na wybraną oś;
s (spinowa l.k. -> s = +/- 0,5)  określa spin, czyli własny moment pędu cząsteczki.
Elektron w polu jÄ…drowym mo\
e zajmować tylko ściśle określone stany energetyczne związane z
gęstościami chmur elektronowych. Stan ten charakteryzuje właśnie liczba kwantowa.
4. Według jakiej zasady sklasyfikowano pierwiastki chemiczne w układzie okresowym?
Pierwiastki są uło\
one wg wzrastającej liczby atomowej. Układ podzielono na 16 grup (pionowo) i 7
okresów (poziomo). W ka\
dym okresie pierwiastki majÄ… takÄ… samÄ… liczbÄ™ n (opisuje stan energetyczny
w atomach swobodnych). Pierwiastki z tej samej grupy mają podobna strukturę podpowłok
elektronowych na ostatniej powłoce.
5. Na czym polega ró\
nica między strukturami elektronowymi metali i niemetali?
Atomy metali zawierają 1 lub 2 elektrony walencyjne, które są łatwo oddawane w przypadku łączenia
siÄ™ z innymi atomami. Pierwiastki te sÄ… nazywane elektrododatnimi. Niemetale zaÅ›, sÄ… elektroujemne,
bo łatwo przyjmują elektrony innych atomów.
6. Czym ró\
ni się struktura elektronowa metali alkalicznych, ziem alkalicznych, przejściowych i
ziem rzadkich?
Metale alkaliczne ( I A) i ziem alkalicznych (II A)  Å‚atwo oddajÄ… 1-2 elektrony walencyjne w
przypadku Å‚Ä…czenia z innym atomem.
Metale przejściowe (III B  VIII B oraz I B  II B okresy 4-6)  dwie pierwsze powłoki są częściowo
zapełniane elektronami dopóty, dopóki nie nastąpi ich całkowite zapełnienie. 3 i następne powłoki są
zapełniane tak: najpierw podpowłoki s wy\
szej powłoki, a potem podpowłoki d. Elektrony z
podpowłoki s wy\
szych powłok n mają większą energię.
Metale ziem rzadkich (lantanowce)  6 okres, podpowłoka 4f jest zapełniana po wypełnieniu
podpowłoki 6s i po wejściu jednego elektronu do podpowłoki 5d.
7. Jakie jest znaczenie elektronów walencyjnych w tworzeniu ró\
nych typów wiązań między
atomami?
Elektrony walencyjne są materią, która podlega wymianie lub uwspólnieniu podczas wiązań między
atomami.
M e t a l o z n a w s t w o i o b r ó b k a c i e p l n a S t r o n a | 2
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Wiązanie jonowe  e.w. jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom
elektroujemny
Wiązanie kowalencyjne  e.w. ró\
nych atomów tworzą pary elektronów nale\
ące wspólnie do jąder
dwóch atomów.
Wiązanie metaliczne  e.w. przemieszczają się swobodnie pomiędzy rdzeniami atomowymi (jonami
+), tworzÄ…c tzw. Gaz elektronowy, charakterystyczny dla tego wiÄ…zania.
Wiązanie wtórne lub siłami Van der Waalsa  występuje wtedy, gdy istnieje (zawsze istnieje) jedno z
trzech wiązań w/w (pierwotnych). Siły Van der Waalsa występują między dipolami cząsteczek lub
atomów.
Inne wiązanie opierające się na wiązaniach pierwotnych: między chwilowymi dipolami, siłami
Londona, wodorowe.
8. Na czym polega ró\
nica między materiałami krystalograficznymi a amorficznymi?
W materiałach krystalograficznych stan skupienia materii powoduje, \
e czÄ…steczki, atomy lub jony nie
mają pełnej swobody przemieszczania się w objętości ciała, gdy\
zajmują ściśle określone miejsca w
sieci przestrzennej i mogą jedynie drgać w obrębie zajmowanych przez siebie miejsc. Kryształ, w
odró\
nieniu od ogólnie rozumianego ciała stałego, posiada symetrię translacyjną, która odró\
nia go od
ciał amorficznych.
W materiałach amorficznych nie występuje dalekosię\
ne uporządkowanie cząsteczek. Ciało będące w
stanie amorficznym jest ciałem stałym (tzn. nie mo\
e płynąć), ale tworzące je cząsteczki są uło\
one
sposób dość chaotyczny, bardziej zbli\
ony do spotykanego w cieczach.
9. Czym charakteryzują się kryształy metali?
Kryształ metalu charakteryzuje się tym, \
e atomy danego metalu są uło\
one w stałym stanie skupieniu
w siatce krystalicznej. Ich jedyny ruch mo\
e polegać na drganiach atomów. Nie mogą, zaś swobodnie
się przemieszczać, poniewa\
zajmujÄ… konkretne miejsce w siatce krystalicznej.
10. Jakie znasz elementy sieci przestrzennej kryształu?
a) płaszczyzny sieciowe
b) proste sieciowe, będące śladami przecięcia płaszczyzn sieciowych
c) węzły sieci, stanowiące punkty przecięcia prostych sieciowych; węzły sieci prymitywnej
odpowiadają poło\
eniu środków atomów kryształów.
11. Na czym polegają ró\
nice i podobieństwa między sieciami: regularną płasko-centryczną,
regularnÄ… przestrzennie-centrycznÄ… i heksagonalnÄ… zwartÄ…?
Sieć RSC  regularna płasko  centryczna A1. Jej elementarną komórkę w kształcie sześcianu tworzy
14 rdzeni atomowych (8 w naro\
ach, 6 w środku geometrycznym ścian bocznych sześcianu). Sieć ta
jest najgęściej wypełniona rdzeniami atomowymi. Jej liczba koordynacyjna lk określająca gęstość
wypełnienia rdzeniami = 12. W sieci A1 między węzłami tworzą się luki.
Sieć RPC  regularna przestrzennie  centryczna A2. Elementarna komórka składa się z 9 rdzeni
atomowych (8 w naro\
ach i 1 w środku geometrycznym). W sieci A2 występują luki oktaedryczne i
luki tetraedryczne.
Sieć HGU  heksagonalna zwarta  3 elementarne komórki sieciowe SA zło\
one z 17 rdzeni
atomowych (12 w naro\
ach prostopadłościanu o podstawie sześciokąta foremnego, 2 w środku
geometrycznym podstaw i 3 usytuowane symetrycznie we wnętrzu elementarnej komórki sieciowej.
Luki oktaedryczne i tetraedryczne sÄ… identyczne jak w sieci A1.
12. Na czym polega alotropia metali?
Alotropia jest to zjawisko występowania jednego pierwiastka w ró\
nych postaciach, w tym samym
stanie skupienia ale ró\
nej budowie sieci krystalograficznej.
śelazo występuje w trzech odmianach alotropowych:
- \
elazo Ä…
- \
elazo Å‚
- \
elazo ´
M e t a l o z n a w s t w o i o b r ó b k a c i e p l n a S t r o n a | 3
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
IstniejÄ… dwie odmiany krystalograficzne \
elaza (polimorfizm):
- krystalizujące w układzie regularnym przestrzennie centrowanym (RPC)
- krystalizujące w układzie regularnym ściennie centrowanym (RSC)
Roztwór stały w Feą (ferryt) - sieć RPC  do 912oC
Roztwór stały w Feł (austenit) - sieć RSC  od 912oC do 1394oC.
Roztwór staÅ‚y w Fe´ (ferryt) - sieć RPC  od 1394oC do 1538oC
13.Co to jest faza stopowa? Wymień rodzaje faz występujących w stopach metali.
Faza to jednorodna część stopu , oddzielona od pozostałej jego części granicą międzyfazową.
Poszczególne fazy stopu zwykle dość ró\
nią się między sobą własnościami. Liczba, rodzaj i własności
faz sÄ… uzale\
nione od składu chemicznego stopu. Zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi
termodynamicznej jest nazywany układem.
14. Jakie znasz roztwory stałe? Podaj czynniki warunkujące ich tworzenie.
Roztwory mo\
emy podzielić na:
ró\
nowęzłowe - tworzą się w wypadku zbli\
onych promieni atomowych składników
międzywęzłowe - tworzą metale przejściowe z pierwiastkami niemetalicznymi o bardzo małych
promieniach atomowych
...a tak\
e na
- ciągłe - o nieograniczonej rozpuszczalności składników)
- graniczne - o ograniczonej rozpuszczalności składników)
15. Jakie znasz podstawowe cechy faz między metalicznych? Według jakich kryteriów
klasyfikuje się fazy międzymetaliczne?
Fazy międzymetaliczne  struktura i właściwości pośrednie między roztworem stały i związkiem
chemicznym.
Cechy charakterystyczne:
Struktura krystaliczna odmienna od struktury składników
Uporządkowane rozmieszczenie atomów składników w sieci, stała proporcja atomów, np.
Fe3C
WiÄ…zanie metaliczne
16. Jakie znacz podstawowe własności \
elaza i jego odmian alotropowych?
śelazo jest miękkim, srebrzystobiałym, kowalnym i ciągliwym metalem, odkrytym w staro\
ytności.
GÄ™stość 7,87 g/cm3, temperatura topnienia 1535°C.
Tworzy cztery odmiany alotropowe:
- ą (trwała w temperaturze do 768oC, ma własności ferromagnetyczne),
- ² (trwaÅ‚a w temperaturze 768-910°C, paramagnetyczna),
- Å‚ (trwaÅ‚a w temperaturze 910-1400°C),
- ´ (trwaÅ‚a w temperaturze powy\
ej 1400°C).
Roztwór staÅ‚y w Fe Ä… i Fe ´ nazywa siÄ™ ferrytem. Roztwór staÅ‚y Å‚ nazywa siÄ™ austenitem.
Jedynie \
elazo ą posiada własności ferromagnetyczne.
śelazo stosowane jest w hutnictwie jako główny składnik stali, \
eliwa i innych stopów; tak\
e pełni
funkcjÄ™ katalizatora (substytut platyny).
temperatura topnienia 1535oC
temperatura wrzenia 3000oC
gęstość (20oC, 1013,25hPa) 7,874g/cm3
17. Jakie znasz podstawowe składniki strukturalne występujące w układzie \
elazo-węgiel?
- ferryt
- austenit
- cementyt (pierwotny, drugorzędowy, trzeciorzędowy)
M e t a l o z n a w s t w o i o b r ó b k a c i e p l n a S t r o n a | 4
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
- perlit
- ledeburyt
- ledeburyt przemieniony
18. Jak przebiegają przemiany podczas chłodzenia stopów \
elaza z węglem zawierających: 0,12
0,4 0,7 1,5 2,5 4,3 5% C?
WiÄ…zik ma w zeszycie napisane, \
e to jest tylko dla tych  lepszych , tak\
e tego nie będzie :)
19. Co to jest stal, staliwo?
Stal  jest to otrzymany w procesach stalowniczych przerobiony plastycznie stop \
elaza z węglem
(stÄ™\
enie C od kilku setnych części procentu wagowego do 2,11%) i innymi pierwiastkami, które
mo\
na podzielić na trzy grupy:
- domieszki metaliczne
- dodatki stopowe
- zanieczyszczenia
Staliwo - jest to stal w postaci lanej (czyli odlana w formy odlewnicze), nie poddana obróbce
plastycznej, o zawartości węgla do 2,1%, nie zawierające eutektyki.
20. Jak sklasyfikowano stale i staliwa węglowe?
Stale mo\
emy podzielić na:
a) niestopowe
- jakościowe
- specjalne
b) stopowe
- jakościowe
- specjalne
c) nierdzewne
- odporne na korozjÄ™
- \
aroodporne
- \
arowytrzymałe
21. Jak wpływa węgiel na strukturę i własności stali?
Wraz ze wzrostem zawartości węgla w stopie poprawiają się właściwości mechaniczne (Rm 
wytrzymałość na rozciąganie, Re  granica plastyczności, HB) a pogarszają się właściwości plastyczne
(A  wydłu\
enie, Z  przewÄ™\
enie)
W stalach podeutektoidalnych wraz ze wzrostem zawartości węgla udział ferrytu maleje, a perlitu
wzrasta.. W stalach nadeutektoidalnch wraz ze wzrostem zawartości węgla, udział perlitu maleje, a
cementytu wzrasta.
22. Czym charakteryzują się stale narzędziowe?
Od stali narzędziowych wymaga się przede wszystkim:
- du\
ej twardości (często powy\
ej 60 HRC)
- odporności na ścieranie,
- odporności na zginanie,
- odporności na cykliczne ściskanie,
- odporności powierzchni na zmęczenie kontaktowe,
- odporności na działanie karbu przy obcią\
eniach zmiennych,
- odporności na kruche pękanie,
W odniesieniu do stali pracujÄ…cych w wysokiej temperaturze dodatkowo wymaga siÄ™ takich
właściwości jak:
- zachowania wymaganej twardości w temperaturze pracy narzędzia,
- odporności na zmianę wymiarów podczas pracy narzędzia,
- odporności powierzchni na utlenianie,
- dobra przewodność cieplna,
M e t a l o z n a w s t w o i o b r ó b k a c i e p l n a S t r o n a | 5
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
23. Co to jest \
eliwo?
Jest to stop odlewniczy \
elaza z węglem zawierający od 2,11% do 4% węgla w postaci cementytu
(\
eliwo białe) lub grafitu (\
eliwo szare) oraz pierwiastkami których obecność wynika z procesu
stalowniczego (Si, Mn, P, S)
24. Ró\
nice między staliwem a \
eliwem.
Staliwo śeliwo
- zawartość węgla do 2,1 % - zawartość węgla od 2,1% do 4%
- zawiera eutektykÄ™ - nie zawiera eutektyki
- du\
y skurcz odlewniczy - mały skurcz odlewniczy
- mała lejność - dobra lejność
- staliwo ma znacznie lepsze właściwości mechaniczne od \
eliw, mają lepszą ciągliwość i udarność
- \
eliwo jest bardziej odporne na korozjÄ™
25. Składniki strukturalne w \
eliwach.
StrukturÄ™ \
eliwa szarego stanowi osnowa metaliczna którą mo\
e być ferryt, perlit lub ich mieszaniny
ewentualnie z cementytem i wtrÄ…ceniami niemetalicznymi a tak\
e grafit o ró\
nej wielkości i ró\
nym
kształcie
Struktura \
eliwa białego jest analogiczna do \
eliwa szarego z tym , \
e zamiast grafitu występuje
cementyt.
26. Jakie przemiany fazowe zachodzÄ… w stali podczas nagrzewania i wygrzewania stali w
temperaturze austenityzowania?
Podczas nagrzewania stali, powy\
ej temperatury Ac1, rozpoczyna siÄ™ przemiana perlitu w austenit,
nazywana przemianÄ… austenitycznÄ…. W stalach podeutektoidalnych po przekroczeniu temperatury Ac3
rozpoczyna się przemiana ferrytu w austenit, a w stalach nadeutektoidalnych po osiągnięciu
temperatury Accm- proces rozkładu cementytu.
Przemiana austenityczna rozpoczyna się zarodkowaniem austenitu na granicach międzyfazowych
ferryt - cementyt i ma charakter dyfuzyjny. Szybkość zachodzenia przemiany austenitycznej zale\
y
głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powy\
ej temperatury Ac1, (Ac3) przy grzaniu
izotermicznym lub od szybkości nagrzewania przy grzaniu ciągłym oraz od ogólnej powierzchni
granic międzyfazowych ferryt-cementyt, tj. dyspersji perlitu. Przemianę tę mo\
na rozwa\
ać w trzech
następujących po sobie etapach:
" utworzenie austenitu niejednorodnego,
" utworzenie austenitu jednorodnego,
" rozrost ziaren austenitu.
Bezpośrednio po zakończeniu przemiany austenitycznej otrzymany austenit jest niejednorodny i do
pełnego wyrównania koncentracji węgla i innych pierwiastków stopowych konieczne jest dalsze
wygrzewanie.
Przemianie perlitu w austenit towarzyszy rozdrobnienie ziarna, jednak dalszy wzrost temperatury lub
czasu austenityzowania sprzyja rozrostowi ziaren. Skłonność do rozrostu ziaren austenitu zale\
y w
znacznym stopniu od rodzaju stali, które mo\
emy podzielić na dwie grupy:
" stale drobnoziarniste o małej skłonności do rozrostu ziaren austenitu w zakresie tempera-tur do
900-950°C,
" stale gruboziarniste, w których rozrost ziaren austenitu następuje bezpośrednio po zakończeniu
przemiany austenitycznej
27. Jakie są podobieństwa i ró\
nice w mechanizmach przemian perlitycznej, bainitycznej i
martenzytycznej?
Przemiana martenzytyczna ma charakter bezdyfuzyjny i zachodzi przy du\
ym przechłodzeniu
austenitu do około 200oC. W wyniku przemiany powstaje martenzyt (przesycony roztwór węgla w
FeÄ…).
M e t a l o z n a w s t w o i o b r ó b k a c i e p l n a S t r o n a | 6
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Przemiana bainityczna Å‚Ä…czy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczenia
węgla. Zachodzi prze chłodzeniu stali do temperatury w zakresie 450-200oC. W wyniku tej przemiany
powstaje bainit, będący mieszaniną przesyconego ferrytu i wydzielonych węglików (dyspersyjnych).
Przemiana perlityczna ma charakter dyfuzyjny. W jej wyniku powstaje perlit (mieszanina ferrytu i
cementytu)
28. Jakie są cechy morfologiczne perlitu, bainitu górnego i dolnego oraz martenzytu listwowego i
płytkowego?
Perlit jest to płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu.
Bainit górny - powstaje w wyniku przemiany zachodzącej w temperaturze powy\
ej 300 C. Składa się
z cementytu oraz przesyconego ferrytu. Jest strukturą niekorzystną ze względu na kruche pękanie.
Bainit dolny - powstaje w wyniku przemiany zachodzÄ…cej w temperaturze poni\
ej 300 C. Składa się z
wÄ™glika µ oraz przesyconego ferrytu. Jest on twardszy od bainitu górnego gdy\
wydzielone węgliki są
bardziej dyspersyjne.
Martenzyt  forma stopu \
elaza i węgla powstała przez rozpad austenitu przy jego szybkim
schładzaniu tak, by nie było czasu na jego naturalną przemianę na ferryt i cementyt. Temperatura
początku i końca przemiany martenzytycznej w du\
ym stopniu zale\
y od zawartości węgla w stopie.
Martenzyt ma strukturę drobnoziarnistą. Ziarna mają kształt igieł przecinających się pod kątem około
60°. Martenzyt jest fazÄ… bardzo twardÄ… i kruchÄ…. Martenzyt powstaje w czasie hartowania stali.
Martenzyt - przesycony roztwór węgla w \
elazie alfa .
29. Praktyczne znaczenie wykresów czas  temperatura - przemiany.
Wykresy CTPi (przy chłodzeniu izotermicznym) są sporządzane dla ró\
nych stali i określają
temperaturÄ™ i czas wygrzewania podczas wy\
arzania izotermicznego oraz wychładzania w kąpieli
solnej przy hartowaniu izotermicznym lub stopniowym.
Wykresy CTPc (anizotermiczne przy chłodzeniu ciągłym) znalazły zastosowania do ustalenia
struktury i twardości stali hartowanej, normalizowanej lub poddanej wy\
arzaniu zupełnemu.
30. Jakie przemiany zachodzą podczas odpuszczania stali węglowcyh?
Podczas odpuszczania martenzyt podlega przemianom:
- od 80 do 250oC  wydzielenie nadmiaru wÄ™gla w postaci wÄ™glika µ,
- od okoÅ‚o 150oC wÄ™glik µ jest zastÄ™powany przez cementyt
W wyniku powy\
szych przemian powstaje martenzyt odpuszczony.
- w temperaturze około 400oC otrzymujemy mieszaninę nieprzesyconego ferrytu i cementytu
- od 400 do 650oC  wydzielenia cementytu przyjmują postać kulistą (powstaje sorbit)
31. Na czym polega absorpcja i dyfuzja?
Absorpcja  zjawisko oraz proces pochłaniania substancji gazowej w całą objętość substancji ciekłej
lub stałej, lub te\
substancji ciekłej w całą objętość substancji stałej.
Dyfuzja  pod pojęciem dyfuzji rozumiemy jakiekolwiek względne zmiany rozmieszczenia atomów
w sieci krystalicznej zachodzące pod wpływem wzbudzenia termicznego tzn. z wykorzystaniem
energii drgań cieplnych atomów.
32. Mechanizmy prawa dyfuzji.
SÄ… dwa zasadnicze mechanizmy dyfuzji: wakancyjny (zachodzÄ…cy w roztworach substytucyjnych) i
międzywęzłowy (w roztworach międzywęzłowych). Poza tym mogą działać specyficzne mechanizmy
związane z obecnością określonych defektów sieci (dyslokacji, granic ziaren) lub tworzenia związków
(dyfuzja reaktywna).
33. Klasyfikacja obróbki cieplnej.
Obróbkę cieplną dzielimy na:
- zwykłą
M e t a l o z n a w s t w o i o b r ó b k a c i e p l n a S t r o n a | 7
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
- cieplno-chemicznÄ…
- cieplno-plastycznÄ…
- cieplno-magnetycznÄ…
34. Jakie są podstawowe operacje i zabiegi technologiczne w obróbce cieplnej?
Hartowanie - polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu w tej
temperaturze i oziębianiu w celu uzyskania struktury nierównowagowej  martenzytycznej lub
bainitycznej  odznaczającej się większą ni\
w stanie wyjściowym twardością i wytrzymałością oraz
mniejszą plastycznością..
Odpuszczanie  polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanej stali do temperatury nieprzekraczajÄ…cej
AC1, wygrzaniu w czasie 30 minut do kilku godzin i oziębianiu. Operacja ta jest stosowana w celu
zmiany struktury i właściwości materiału w kierunku poprawy ciągliwości i zmniejszenia kruchości
naprÄ™\
eń własnych.
Przesycanie  jest zabiegiem cieplnym któremu poddawana jest stal w celu stabilizacji austenitu.
Polega na nagrzaniu stali do temperatury, w której nastąpi przemiana austenityczna, a następnie tak
jak w hartowaniu szybkie schładzanie. Ró\
nicą pomiędzy hartowaniem a przesycaniem jest to, \
e przy
przesycaniu unika się zajścia przemiany martenzytycznej. W związku z tym, przesycanie daje się zastosować
tylko dla stali, w których początek przemiany martenzytycznej jest ni\
szy od temperatury otoczenia, czyli dla stali
wysokowęglowych lub zawierających dodatki stopowe obni\
ajÄ…ce tÄ™ temperaturÄ™ i stabilizujÄ…cych austenit, takich jak chrom
Starzenie - Operacja obróbki cieplnej stopów metali uprzednio przesyconych; polega na wygrzaniu ich
w temperaturze odpowiednio ni\
szej od temperatury przesycenia w celu wydzielenia z roztworu
stałego przesyconego fazy (lub faz) o odpowiednim stopniu dyspersji, zawierającej składnik stopowy,
znajdujÄ…cy siÄ™ w roztworze w nadmiarze.
Wy\
arzanie  jest zabiegiem cieplnym polegajÄ…cym na nagrzaniu elementu stalowego do
odpowiedniej temperatury, przetrzymaniu w tej temperaturze jakiś czas, a następnie powolnym
schłodzeniu. Ma głównie ono na celu doprowadzenie stali do równowagi termodynamicznej w
stosunku do stanu wyjściowego, który jest znacznie odchylony od stanu równowagowego. Wy\
arzanie
przeprowadza się w ró\
nych celach. Patrz poni\
ej...
35. Jakie sÄ… rodzaje wy\
arzania? Do czego słu\
Ä…?
Ujednorodniające (homogenizowanie)  stosowane w celu wyrównania składu chemicznego
(usunięcia segregacji chemicznej)
Normalizujące  dzięki wykorzystaniu efektu rozdrobnienia ziarna wyraz
nie zwiększa granicę
plastyczności i udarności przy nieznacznym wzroście twardości.
Zupełne  jest odmianą wy\
arzania normalizujÄ…cego z tym , \
e odlew stygnie powoli
razem z piecem,
Zmiękczające  celem jest uzyskanie małej twardości, wystarczającej do obróbki skrawaniem
Izotermiczne 
Rekrystalizujące  stosowane w celu usunięcia skutków umocnienia
OdprÄ™\
ające  celem jest usunięcie naprę\
eń powstałych podczas krzepnięcia odlewu kosztem
odkształceń plastycznych
Stabilizujące  stosowane w celu usunięcia naprę\
eń odlewniczych
36. Jakie sÄ… rodzaje hartowania stali i jakie struktury powstajÄ…?
Hartowanie marteznytyczne zwykłe  martenzyt.
Hartowanie martenzytyczne stopniowe  martenzyt
Hartowanie bainityczne zwykłe  bainit, przy ewentualnej obecności austenitu
szczÄ…tkowego i martenzytu,
Hartowanie bainityczne izotermiczne  bainit przy ewentualnej obecności austenitu szczątk.
37. Co to jest hartowność, przehartowalność i utwardzalność stali?
Hartowność  podatność stali na hartowania, wyra\
ona zale\
nością przyrostu twardości w wyniku
hartowania od warunków austenityzowania i szybkości chłodzenia.
M e t a l o z n a w s t w o i o b r ó b k a c i e p l n a S t r o n a | 8
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Przehartowalność  mierzona głębokością utwardzenia przy określonej szybkości chłodzenia,
przehartowalność zwiększa się w wyniku wzrostu stę\
enia węgla i dodatków stopowych w austenicie.
Utwardzalność  mierzona jest największą do uzyskania twardością w danych warunkach
austenityzowania, zale\
y ona głównie od stę\
enia węgla w austenicie.
38. Na czym polega ulepszanie cieplne stali i co czego słu\
y?
Ulepszanie cieplne jest to hartowanie i następnie wysokie lub średnie odpuszczenie; takiej obróbce
cieplnej na ogół są poddawane półwyroby (wałki, odkuwki); górna wartość twardości po ulepszaniu
cieplnym (około 35 HRC) jest ograniczona koniecznością zapewnienia dobrej skrawalności.
39. Na czym polega azotowanie gazowe stali?
Azotowanie polega na dyfuzyjnym nasyceniu stali azotem. Przebiega ono zwykle w zakresie
temperatury 500-600oC w atmosferze zawierajÄ…cej wolne atomy azotu. Azotowanie gazowe odbywa
się najczęściej w atmosferze częściowo zdysocjowanego amoniaku.
40. Jaka jest budowa fazowa warstwy azotowanej i od czego ona zale\
y?
- strefa przypowierzchniowa, nieulegająca trawieniu, składająca się z bogatych w azot węgloazotków
Fe2-3(N, C) i azotków Å‚ (Fe4N) lub tylko azotków Å‚; w strefie wÄ™gloazotków µ mogÄ… wystÄ™pować
pory,
- strefa azotowania wewnętrznego z wydzieleniami, która w stalach węglowych jest roztworem stałym
azotu w \
elazie z wydzieleniami lub bez wydzieleń azotków \
elaza; w przypadku stali stopowych
strefa ta zawiera drobnodyspersyjne wydzielenia azotków pierwiastków stopowych (Cr, W, Mo, V, Ti)
rozmieszczonych w podło\
u ferrytycznym;
41. Jakie są własności warstwy azotowanej?
- du\
a twardość powierzchniowa
- zachowanie twardości i wytrzymałości w podwy\
szonej temperaturze (do 600oC)
- zwiększa odporność na ścieranie, zacieranie i zu\
ycie adhezyjne,
- odporność na korozję gazową i atmosferyczną,
- du\
a wytrzymałość zmęczeniowa elementów azotowanych,
- względnie niska temperatura procesu, umo\
liwiajÄ…ca wytworzenie twardej warstwy na uprzednio
ulepszonym cieplnie rdzeniu,
- niewielkie odkształcenia elementów w procesie azotowania,
42. Jakie jest zastosowanie azotowania w praktyce?
Przemysł motoryzacyjny i maszynowy: wały korbowe, korbowody, koła zębate, pierścienie, sworznie
tłokowe, śruby pociągowe, wrzeciona, elementy przekładni i sprzęgieł, frezy wiertła, gwintowniki.
43. Na czym polega nawęglanie gazowe stali?
Nawęglanie gazowe ma obecnie największe zastosowanie przemysłowe. Jest ono prowadzone w
atmosferach zawierających CO, CO2, H2, H2O, CH4 i N2 które wytwarza się przez częściowe
spalanie gazów opałowych lub rozkład termiczny ró\
nych ciekłych związków organicznych
dostarczonych bezpośrednio do komory pieca do nawęglania.
44. Jaka jest budowa fazowa warstwy nawęglanej?
Warstwę nawęglaną mo\
na podzielić na trzy strefy:
- nadeutektoidalna: perlit + siatka cementytu
- eutektoidalna: perlit
- podeutektoidalna: perlit + ferryt, przy czym ilość ferrytu zmniejsza się w kierunku rdzenia.
45. Jakie są własności warstwy nawęglanej?
- zapewnia du\
ą twardość powierzchni obrabianych elementów,
- zapewnia du\
ą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe,
- zapewnia znaczną wytrzymałość zmęczeniową,
M e t a l o z n a w s t w o i o b r ó b k a c i e p l n a S t r o n a | 9
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
Rdzeń po takiej obróbce cieplnej wykazuje du\
ą ciągliwość, sprę\
ystość i odporność na dynamiczne
obciÄ…\
enia.
46. Jakie jest zastosowanie nawęglania w praktyce?
Nawęglanie jest stosowane w procesach wytwarzania silnie obcią\
onych, odpowiedzialnych
elementów, takich jak: koła zębate, wałki zębate i z wielowypustami, wałki rozrządu, sworznie
tłokowe.
47. Jak wpływają pierwiastki stopowe na własności stali?
P: rozpuszcza się w ferrycie i zwiększa Rm, podwy\
sza próg kruchości.
Si: rozpuszcza się w ferrycie, zwiększa Rm i H. Stosowany jako odtleniacz, przeciwdziała
segregacji i zwiększa drobnoziarnistość. W stalach maksymalnie 4% bo wzrasta kruchość.
Mn: austenitotwórczy, tani i łatwo dostępny. Zwiększa dyspersję perlitu oraz hartowność stali,
neutralizuje siarkę i niestety zwiększa ziarno.
Ni: zwiększa plastyczność, obni\
a próg kruchości, austenitotwórczy, nie dodaje się go do stali
narzędziowej
Co: jako jedyny zmniejsza hartowność. Nie tworzy węglików. Dodawany głównie w celu
zwiększenia \
aroodporności i \
arowytrzymałości.
Cr: najczęściej dodawany. Zwiększa hartowność, odporność na korozję i \
aroodporność.
W: uodparnia na przegrzanie, zapewnia drobnoziarnistość, odporność na zu\
ycie i ścieranie
V: ma bardzo du\
e powinowactwo do węgla, zwiększa drobnoziarnistość i \
arowytrzymałość
Ti: zwiększa hartowność, twardość wtórną (podczas odpuszczania wydzielają się węgliki
zwiększające twardość)
Al: dodawany głównie w celu odtlenienia i odazotowania stali
Cu: zwiększa wytrzymałość i twardość, jego zawartość w stalach trudnordzewiejących wynosi od
0,25-0,4%
B: bardzo intensywnie zwiększa hartowność, do 0,003%. Zwiększa wytrzymałość ale tylko w
stalach zahartowanych a nie w stanie wy\
arzonym.
N: skłonność do starzenia. Stabilizuje austenit. Tworzy konglomeraty z Ni i Mo. Umacnia
znacznie stal
48. Jaki jest ogólny podział stali stopowych?
Stale stopowe dzielimy na:
Jakościowe  Uzyskują odpowiednie właściwości głównie w procesie stalowniczym przez
walcowanie, ciągnienie i kucie, rzadziej przez obróbkę cieplną. Muszą spełniać określone wymagania,
np. odnośnie wielkości ziarna, odporności na kruche pękanie, ciągliwości. Mają określone
dopuszczalne stÄ™\
enia pierwiastków stopowych.
Specjalne  uzyskiwane są przez dokładną kontrolę składu chemicznego i technologii wytwarzania.
Są to stale o większej czystości. Mają zró\
nicowany skład chemiczny i właściwości u\
ytkowe.
W klasie tej znajdują się między innymi stale:
- szybkotnÄ…ce
- narzędziowe stopowe
- Å‚o\
yskowe
- maszynowe
- konstrukcyjne
49. Odmiany korozji.
Chemiczna (patrz 54), elektrochemiczna (patrz 52-53)
50. Na czym polega korozja  definicja.
Korozja  oddziaływanie fizykochemiczne i elektrolityczne między materiałem metalowym, a
otaczającym środowiskiem w wyniku, którego następuje uszkodzenie korozyjne powodujące
zmniejszenie własności metalu.
M e t a l o z n a w s t w o i o b r ó b k a c i e p l n a S t r o n a | 10
P o l i t e c h n i k a P o z n a Å„ s k a
51. Jakie sÄ… skutki korozji?
Obni\
enie własności mechanicznych i u\
ytkowych maszyn, urządzeń i elementów; du\
e straty
ekonomiczne bezpośrednie ju\
7-10% stali w procesie produkcji ulega zniszczeniu; ekonomiczne
pośrednie wynikające z przestojów w eksploatacji maszyn.
52. Przebieg korozji elektrochemicznej.
53. Czynniki decydujÄ…ce o przebiegu korozji elektrochemicznej.
Odp. 52-53:
Korozja elektrochemiczna zachodzi ze względu na działanie elektrolitów (woda, roztwory wodne soli,
kwasów i zasad) na powierzchnię metalu, którą stanowią dodatnie i ujemne elektrody. Ze względu na
ró\
nice potencjałów dochodzi do tworzenia się lokalnych mikroogniw, i następuje lokalny przepływ
prÄ…du elektrycznego. TowarzyszÄ… temu reakcje chemiczne redukcji i utleniania.
Reakcja redukcji (katodowa) jest związana z przepływem umownego prądu dodatniego z roztworu
elektrolitu do elektrody, czyli w rzeczywistości z przepływem elektronów w kierunku przeciwnym.
Reakcja utleniania (anodowa) jest związana z przepływem dodatnich ładunków elektrycznych z
elektrody do elektrolitu.
Korozja występuje tylko na anodach mikroogniw, gdzie zwykle tworzą się sole lub wodorotlenki
metali, osadzajÄ…ce siÄ™ na elektrodzie lub przechodzÄ…ce do roztworu.
54. Korozja gazowa.
Jest to przykład korozji chemicznej występującej w suchym gazie tj. tlen, azot, powietrze itp.
Niszczenie przebiega w wyniku reakcji chemicznych. Korozja ta przebiega na sucho bez udziału
elektrolitów.
55. Jakie sÄ… mechanizmy powstawania zgorzelin na czystych metalach i ich stopach?
Na czystych metalach oraz na metalach z zanieczyszczeniami tworzÄ… siÄ™ wielowarstwowe. W
pierwszym stadium są to zgorzeliny zwarte. Rosnąca zgorzelina ściśle przylega do rdzenia
metalicznego, dzięki jej zdolności do odkształceń plastycznych.
Na stopach metali powstawaniu zgorzelin na granicach faz towarzyszy równie\
utlenianie
wewnętrzne.
56. Rodzaje korozji:
- równomierna,
- selektywna,
- w\
erowa,
- międzykrystaliczna,
- naprÄ™\
eniowa,
- zmęczeniowa,
57. Rodzaje ochrony przed korozjÄ….
Dobór składu chemicznego stopów pracujących w warunkach korozji, ochrona katodowa, ochrona
protektorowa, ochrona anodowa, stosowanie inhibitorów, powłoki i warstwy ochronne, ograniczenie
oddziaływania środowiska korozyjnego.
58. Jakie są zasady doboru składu chemicznego pierwiastków korodoodpornych?
Na elektrochemicznÄ…:
-stopy i metale jednofazowe (nie występują na ich powierzchni mikroogniwa między dwoma
fazami)
Na chemicznÄ…:
-występowanie zgorzelin w postaci ciągłej warstwy jednofazowej związku
-dodatki stopowe tj.: Zn, Al., Si, Cr Be, Mg