1.STAL

Stal jest to przerobiony plastycznie stop żelaza z węglem (stężenie C od kilku setnych części procentu wagowego do 2,11%) i innymi pierwiastkami. Innymi pierwiastkami mogą być domieszki metaliczne, np. Mn, Si, Al, wprowadzone w celu odtlenienia i odsiarczenia stali bądź pochodzące ze złomu używanego przez huty do wytapiania stali, np. Cr, Cu, Ti. Pierwiastki metaliczne wprowadzone w celu zmiany właściwości stali nazywa się pierwiastkami stopowymi. Odrębną grupą pierwiastków stanowiących o czystości metalurgicznej stali są zanieczyszczenia P, S, As, N, O, N, H pochodzenia surowcowego i technologicznego. Ich całkowite usunięcie jest trudne i kosztowne, lecz już niewielkie (setne części procentu) zmiany stężenia wyraźnie wpływają na poziom właściwości mechanicznych stali.

2. WYŻARZANIE NORMALIZUJĄCE

Stan normalizowany N - w wyżarzaniu normalizującym wykorzystuje się efekt rozdrobnienia ziarna przy przemianie ferryt + perlit→austenit. Chłodzenie po normalizowaniu odbywa się w spokojnym powietrzu, co zbliża strukturę stali do równowagowej, zgodnej z układem fazowym żelazo - cementyt. Normalizowanie dzięki rozdrobnieniu ziarna wyraźnie zwiększa granicę plastyczności i udarność przy nieznacznym wzroście twardości. Zmniejsza się przy tym poziom naprężeń własnych wyrobu i niejednorodność struktury. W stanie normalizowanym dostarcza się stale niestopowe, niskostopowe, automatowe oraz stale do hartowania powierzchniowego.

3. WYŻARZANIE ZMIĘKCZAJĄCE

Stan zmiękczony M osiąga się podobnie jak stan Sf. Celem wyżarzania zmięk-czającego jest uzyskanie określonej, małej twardości, wystarczającej do obróbki skrawaniem. Stal, najczęściej eutektoidalna i nadeutektoidalna, zawiera cementyt nie w pełni sferoidyzowany w osnowie ferrytu.

4. HARTOWANIE

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 niż w stanie wyjściowym twardością i wytrzymałością oraz mniejszą plastycznością.

Zbyt wysoka temperatura austenityzowania wywołuje nadmierny rozrost ziaren austenitu, co powoduje uzyskanie struktury martenzytu gruboiglastego, powodującej zwiększenie kruchości stali.

Stale stopowe są austenityzowane w temperaturze odpowiednio wyższej, zapewniającej rozpuszczenie węglików w austenicie i nasycenie go węglem oraz pierwiastkami stopowymi, co umożliwia uzyskanie wymaganych właściwości po obróbce cieplnej.

Gdy zabieg austenityzowania obejmuje całą objętość hartowanego elementu, a grubość warstwy zahartowanej jest zależna od hartowności obrabianego materiału i intensywności chłodzenia, hartowanie jest nazywane hartowaniem objętościowym. Gdy nagrzewamy i hartujemy tylko warstwę wierzchnią, mówimy o hartowaniu powierzchniowym.

W wyniku hartowania zwykłego uzyskuje się strukturę martenzytu z austenitem szczątkowym (w przypadku większych zawartości węgla) oraz innymi składnikami, które nie ulegają przemianom w czasie chłodzenia, np. z węglikami i wtrąceniami niemetalicznymi.

Stale tak zahartowane mają dużą twardość, zazwyczaj 40 - 65 HRC w zależności od stężenia węgla, dużą wytrzymałość i granicę plastyczności oraz małe wartości właściwości plastycznych i udarności.

5. NAWĘGLANIE

Nawęglanie polega na nasyceniu węglem warstwy wierzchniej elementów wyko-nanych ze stali węglowych i stopowych o zawartości węgla od 0,05 do 0,25%. Ope-rację tę wykonuje się w temperaturze występowania austenitu, najczęściej w zakre-sie 900 - 930°C.

Celem nawęglania jest wytworzenie warstwy wzbogaconej w węgiel o stężeniu na powierzchni 0,7 - 1,0% i o grubości 0,6 - 1,5 mm (niekiedy większej), która po następnym zahartowaniu ma twardość powyżej 58 HRC (750 HV). Natomiast rdzeń o mniejszej twardości, 25 - 45 HRC, zapewnia odporność na obciążenia dynamiczne.

Szybkość nawęglania zależy przede wszystkim od temperatury i czasu trwania procesu (rys. 3.3), a także od aktywności ośrodka (potencjału węglowego) i składu chemicznego stali.

6. PODZIAŁ STALI NARZĘDZIOWYCH

Klasyfikacja stali narzędziowych

W polskich normach stale narzędziowe są podzielone na cztery grupy:

- węglowe stale narzędziowe na narzędzia pracujące w temperaturze do około 200°C,

- narzędziowe stale stopowe do pracy na zimno na narzędzia pracujące w tem-peraturze do 200°C, czasem do 300°C,

- narzędziowe stale stopowe do pracy na gorąco na narzędzia do obróbki plastycznej, nagrzewające się powierzchniowo do temperatury 500°C - 600 C,

- stale szybkotnące stosowane na narzędzia do obróbki skrawaniem, pracujące w temperaturze do około 500°C.

W każdej grupie występują gatunki stali różniące się składem chemicznym, a co za tym idzie, właściwościami. Można spośród nich wybrać stal o żądanych właściwościach i ekonomicznie uzasadnionej cenie. Ceny stali wysokostopowych (a do tych należy zdecydowana większość stali narzędziowych) są wielokrotnie wyższe od cen stali węglowych.

7. EFEKT TWARDOŚCI WTÓRNEJ

W niektórych stalach wysokostopowych występuje zjawisko twardości wtórnej. Najwyraźniej jest to widoczne w stalach zawierających wolfram i molibden. Twardość wtórna jest to przyrost twardości zahartowanej stali w trakcie odpuszczania w stosunkowo wysokiej temperaturze (500 - 580°C) od 1 do 3 stopni w skali HRC. Przyczyną wzrostu twardości jest wydzielanie się z martenzytu i austenitu szczątkowego wysokodyspersyjnych węglików stopowych oraz przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt. Przemiana austenitu szczątkowego zachodzi dzięki zubożeniu tego roztworu w rygiel i dodatki stopowe, co podwyższa temperaturę M_s i zarazem zmniejsza stabilność tej fazy. Wzrost twardości spowodowany tymi przemianami jest większy niż zmniejszenie twardości martenzytu ubożejącego w węgiel i sumaryczna twardość wzrasta

8.ŻELIWO

Żeliwo stop Fe-C, w którym występuje eutektyka. Przemiana eutektyczna w stabilnym układzie równowagi Fe – C zachodzi w temperaturze 1153°C.

Minimalne stężenie węgla w żeliwie może wynosić 2,1%, jednak w odlewnictwie nie stosuje się żeliw zawierających mniej niż 2,8% C, gdyż przy mniejszej zawartości tego pierwiastka zakres temperatury krzepnięcia (likwidus - solidus) wzrasta, a to pogarsza lejność.

9. STALIWA

Staliwa to stopy nie zawierające eutektyki, gdyż stężenie węgla nie przekracza w nich 2,1%.

Odlewy staliwne uzyskują zasadniczy kształt podczas krzepnięcia ciekłego stopu w formie. Staliwa nie podlegają przeróbce plastycznej i to je istotnie różni od stali.

Są dwa podstawowe rodzaje staliw: niestopowe (dawniej nazywane węglowymi) i stopowe.

10.MORFOLOGIA GRAFITU

Grafit powstający podczas przemiany eutektycznej ma kształt drobnych, połączonych płatków (rys. 5.4). Grafit pierwotny wydzielający się z cieczy w żeliwach nadeutektycznych tworzy grube płatki. Długość płatków obserwowana na zgładach metalograficznych mieści się w zakresie 10 - 1000 μm.

Powstawanie grafitu podczas krzepnięcia zmniejsza skurcz odlewniczy. Jego obecność w strukturze nadaje żeliwom szarym wyjątkowe właściwości eksploatacyjne.

Ponieważ kształt, wielkość i rozkład grafitu mają znaczny wpływ na właściwości mechaniczne żeliw, parametry te są opisane w normie. Ze względu na kształt i wielkość grafitu żeliwa szare dzieli się na:

- szare zwykłe (grafit płatkowy różnej wielkości),

- modyfikowane (drobny grafit płatkowy),

- sferoidalne (grafit sferoidalny),

- wermikularne.

Żeliwo wermikularne nie jest jeszcze ujęte w polskich normach, natomiast w krajach anglosaskich jest często stosowane. Grafit w takim żeliwie ma morfologię pośrednią między grafitem płatkowym a sferoidalnym. Żeliwo wermikularne charakteryzuje się większą wytrzymałością i plastycznością niż żeliwo szare zwykłe przy lepszym tłumieniu drgań niż żeliwo sferoidalne. Żeliwo wermikularne uzyskuje się, gdy zawartość magnezu jest za mała do pełnej sferoidyzacji.

11.MOSIĄDZ

Mosiądze są najbardziej rozpowszechnionymi stopami miedzi. Cynk, który jest tańszy od miedzi obniża cenę stopu. Mosiądze zawierają od kilku do 45% cynku oraz mogą zawierać dodatek jednego lub kilku pierwiastków w ilości od 0,5 do 5%: ołowiu, manganu, aluminium, żelaza, krzemu i niklu, zgodnie z wykresem równowagi ze względu na strukturę mosiądze można podzielić na dwie grupy: mosiądze o strukturze α zawierające do 38% cynku oraz o strukturze α+β’ zawierające od 38 do 45% cynku.

Mosiądze, podobnie jak miedź, mają dobrą odporność na korozję, szczególnie w wodzie morskiej. Elementy mosiężne można łatwo łączyć za pomocą lutowania miękkiego (lutami cynowymi), twardego (lutami srebrnymi) oraz spawania gazowego.

12.KOROZJA MOSIĄDZU

Mosiądze wykazują dodrą odporność na korozję atmosferyczną oraz w środowisku wody morskiej i wodociągowej, ulegają natomiast korozji naprężeniowej i od-cynkowaniu.

Korozja naprężeniowa, zwana pękaniem sezonowym, polega na nagłym pękaniu, bez widocznego powodu, zazwyczaj wzdłuż granic ziaren. Przyczyną tej korozji jest działanie dwóch czynników: naprężeń w materiale oraz korozyjnego środowiska. Naprężenia mogą występować po obróbce plastycznej na zimno jako naprężenia własne lub wskutek działania sił zewnętrznych podczas pracy elementu. Najbardziej niebezpiecznym środowiskiem jest amoniak lub jego pary.

Odcynkowanie jest rodzajem korozji elektrochemicznej. Gdy mosiądz znajdzie się w elektrolicie (zawierającym szczególnie chlor), jego oba składniki - miedź i cynk -przechodzą do roztworu, z którego następnie wydziela się miedź w postaci gąbczastej. Po wytrąceniu miedzi korozja ulega przyspieszeniu, nie jest ona jednak widoczna, gdyż nie następuje zmiana kształtu przedmiotu. W wyniku korozji właściwości wytrzymałościowe gwałtownie się pogarszają. Korozji podlegają głównie mosiądze dwufazowe, w których rozpuszczeniu ulega faza β' z jednofazowych tylko zawierające więcej niż 20% cynku. Odcynkowanie może zachodzić również miejscowo i korozja ta przyjmuje postać wżerową.

Odporność mosiądzów na korozję zwiększają takie pierwiastki, jak aluminium, arsen, nikiel i cyna.

13. OBRÓBKA CIEPLNA DURALUMINIUM (PRZESYCANIE I ...)

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia. Przesycanie jest obróbką cieplną zaburzającą stan równowagi stopu. Duraluminium nagrzewa się do temperatury 500 - 520°C, w której uzyskuje się jednorodną strukturę roztworu stałego α dzięki całkowitemu rozpuszczeniu miedzi w aluminium. Po wygrzaniu stop chłodzi się szybko w wodzie. Krótki czas chłodzenia nie pozwala na wydzielenie się fazy międzymetalicznej Θ i cała miedź pozostaje w roztworze stałym α. Roztwór taki nazywa się roztworem przesyconym, czyli zawierającym więcej pierwiastka rozpuszczonego, niż jest to możliwe w warunkach równowagi. Stabilność roztworu przesyconego zależy od temperatury, tzn. w niskiej temperaturze (np. -50°C) na skutek mocno ograniczonej dyfuzji roztwór taki jest stabilny. Przesycony roztwór słały ma właściwości wytrzymałościowe gorsze niż roztwór równowagowy z wydzieleniami fazy Θ, tzn. jest miękki i plastyczny. Stąd duraluminium bezpośrednio po przesyceniu jest obrabialne plastycznie na zimno -można je kształtować plastycznie, np. nitować.

Przesycony roztwór a nie jest stabilny w temperaturze powyżej 20°C i dąży do stanu równowagą przez wydzielenie nadmiaru miedzi - ulega starzeniu. Starzenie jest procesem długotrwałym, polegającym na tworzeniu skupisk atomów miedzi w roztworze α, czyli stref przedwydzieleniowych, tzw stref G-P, z których następnie powstają wydzielenia faz nierównowagowych pośrednich, kolejno Θ" i Θ’ oraz w odpowiednio wysokiej temperaturze fazy równowagowej Θ (CuAl₂). Zarówno strefy G-P, jak i wydzielenia faz międzymetalicznych, całkowicie lub częściowo koherentnych z osnową (koherencja polega na spójności sieci krystalograficznych wydzielenia i osnowy), powodują umocnienie stopu. Podwyższenie temperatury starzenia wpływa na zwiększenie wymiarów wydzieleń i zwiększenie odległości między nimi. Wynika z tego, że utwardzenie stopu jest tym mniejsze, im wyższa jest temperatura starzenia.

Starzenie może przebiegać samoistnie, czyli w temperaturze pokojowej. Zwane jest wtedy starzeniem samorzutnym. Strukturą stopu po trwającym kilka dni starzeniu jest roztwór stały α z wydzieleniami stref G-P. Starzenie naturalne pozwala na uzyskanie największego umocnienia.

Dla przyspieszenia starzenia stosuje się wygrzewanie w temperaturze około 160°C w czasie od kilku do kilkunastu godzin. Przyspieszone starzenie jest nazywane starzeniem sztucznym. Po starzeniu sztucznym uzyskuje się mniejszą wytrzymałość - 400 MPa. Jest to spowodowane pojawieniem się zamiast stref G-P wydzieleń faz przejściowych Θ" i Θ’ które w mniejszym stopniu umacniają stop. Długotrwałe przetrzymywanie duraluminium w temperaturze powyżej 200°C prowadzi do prze-starzenia, związanego z wydzieleniem się fazy równowagowej Θ (CuAl₂) i jej ko-agulacją (koagulacja jest to rozrost wydzieleń). Uzyskuje się wtedy trwałe zmięk-czenie stopu, a wytrzymałość na rozciąganie wynosi około 210 MPa. Stop po prze-starzeniu jest miękki; można go obrabiać plastycznie na zimno.

14. MODYFIKACJA SILUMINU (PRZED I PO)

W celu poprawienia właściwości wytrzymałościowych i plastycznych siluminów dokonuje się ich modyfikacji. Stosuje się ją głównie do stopów eutektycznych i nadeutektycznych. Do ciekłego stopu o temperaturze wyższej od temperatury odlewania dodaje się modyfikatory powodujące rozdrobnienie struktury i zaokrąglenie kryształów krzemu. Modyfikatory zmieniają też układ równowagi Al - Si, obniżając temperaturę eutektyczną, i przesuwają punkt eutektyczny do większej zawartości krzemu (około 14%).

Modyfikowane stopy eutektyczne po zakrzepnięciu mają strukturę drobnoziarnistej eutektyki złożonej z roztworu stałego α i zaokrąglonych wydzieleń krzemu oraz dendrytów roztworu α. Stop taki staje się stopem podeutektycznym, jego właściwości plastyczne ulegają poprawie, np. wydłużenie A₅ zwiększa się do 8%, a równocześnie wzrasta poziom właściwości wytrzymałościowych.

15.DEFINICJA KOMPOZYTÓW

Kompozyty są to materiały łączące dodatnie cechy materiałów bardzo wytrzymałych, lecz jednocześnie mniej ciągliwych lub nawet kruchych, oraz materiałów o dużej ciągliwości, lecz mniej wytrzymałych. Nowe materiały powstałe z połączenia tak różnych tworzyw są w dużym stopniu pozbawione wad, którymi cechuje się każda grupa eksploatowana oddzielnie. Do materiałów bardzo wytrzymałych zalicza, się między innymi włókna węglowe, włókna boru lub włókna szkła.

16. PRZYCZYNY ZUŻYCIA CZĘŚCI MASZYN I NARZĘDZI

Przyczyny zniszczenia części maszyn i urządzeń oraz narzędzi najczęściej mają charakter mechaniczny, niekiedy przyczynia się do tego podwyższona temperatura. Znaczącą przyczyną zniszczenia mogą być także procesy fizykochemiczne (korozja). Czasami współdziałają ze sobą przyczyny różnego rodzaju, co z reguły przyśpiesza procesy niszczenia.

Spośród mechanizmów niszczenia powodowanych przez czynniki mechaniczne (ewentualnie cieplne) za najważniejsze trzeba uznać:

- kruche (nagłe) pękanie,

- zmęczenie,

- ścieranie,

- pełzanie.

Kruche pękanie

Kruche pękanie spośród pozostałych mechanizmów wyróżnia nagłość i nieprzewidywalność, co prowadzi często do awarii i pociąga za sobą znaczne straty materialne lub jest nawet przyczyną katastrof powodujących dodatkowo okaleczenie lub śmierć ludzi.

Istotną różnicą pomiędzy kruchym a plastycznym pękaniem jest to, iż to ostatnie występuje dopiero wtedy, gdy naprężenia nominalne przekroczą granicę wytrzymałości, natomiast kruche pęknięcia mogą się pojawić już przy naprężeniach nominalnych niższych od granicy plastyczności.

Cechą wyróżniającą kruche pękanie jest brak odkształceń plastycznych w strefie pęknięcia, co wiąże się z małą energią potrzebną do powstania przełomu.

Ścieranie

Ścieranie, zwane też zużyciem, jest procesem zachodzącym przy współpracy dwóch (lub więcej) części maszyn. Wiąże się to z wzajemnym przemieszczaniem się tych części, któremu towarzyszy nacisk współpracujących powierzchni. Zużycie tych powierzchni mierzy się ubytkiem masy współpracujących części lub zmianą ich wymiarów.

Pełzanie

Pełzanie materiałów polega na tym, iż przy długotrwałych naprężeniach, mniej-szych od granicy plastyczności, następuje ich trwale odkształcenie (wydłużenie), a w końcu zniszczenie. Odkształcenie pełzania jest funkcją naprężeń, czasu i temperatury, przy czym każdy materiał ma temperaturę graniczną, powyżej której, przy wy-starczającym poziomie naprężeń, zaczyna się proces pełzania

17. ZUŻYCIE ZMĘCZENIOWE

Na proces zmęczenia składają się dwa zasadnicze elementy: obciążenie i czas, przy czym istotne jest, aby obciążenie, a więc i panujące w materiale naprężenia, miały charakter cykliczny. Typowymi elementami podlegającymi zmęczeniu są części obracające się lub drgające, takie jak wały, części silników i układów jezdnych pojazdów. Zmęczenie materiału, w odróżnieniu od wyżej omówionego kruchego pękania, rozpoczyna się, gdy współczynnik intensywności naprężeń K jest mniejszy od krytycznej wartości współczynnika naprężeń K_c, a poziom naprężeń nominalnych, a więc działających w skali makroskopowej, zazwyczaj nie przekracza granicy plastyczności R_e, a często jest znacznie od niej niższy. Czynnikiem powodującym tę różnicę jest charakterystyczna dla procesu zmęczenia cykliczność obciążeń.

Cykliczny charakter obciążenia powoduje, iż z każdym cyklem materiał pochłania pewną ilość energii. Energia ta jest przyczyną pojawienia się zmian mikrostruk-turalnych, które lokalizują się w miejscach, gdzie struktura jest najsłabsza lub po-ziom naprężeń najwyższy. Przy określonych naprężeniach nominalnych lokalny po-ziom naprężeń będzie wyższy (czasem nawet parokrotnie) w pobliżu koncentratorów naprężeń.