1. Hartowność. Obróbka cieplna stopów żelaza.

1. Układ żelazo - cementyt (charakterystyka faz);

Fazy układu żelazo –cementyt

•Roztwór ciekły L

•Ferryt (α)–międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feαo maksymalnej zawartości węgla 0,022 % w temperaturze 727ºC

•Ferryt (α, δ)–międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feαo maksymalnej zawartości węgla 0,09 % w temperaturze 1493ºC

•Austenit (γ)-międzywęzłowy roztwór stały węgla w Fe γo maksymalnej zawartości węgla 2,14 % w temperaturze 1147ºC

•Cementyt

2. Martenzyt, Bainit, Austenit szczątkowy;

Martenzyt – pochodząca od nazwiska niemieckiego metalurga, Adolfa Martensa (1850 – 1914), nazwa jednej z metastabilnych faz, wchodzących w skład struktury stopów metali, charakteryzujących się bardzo dużą twardością. Struktury te powstają w wyniku „przemiany martenzytycznej”. Jest to przesycony roztwór stały węgla w żelazie α, powstający podczas przemiany austenitu przechłodzonego do temperatury, w której nie zachodzi dyfuzja węgla. Objętość właściwa martenzytu jest większa niż austenitu. Jest strukturą stali o największej twardości, ale jest bardzo kruchy; Do zastosowań inżynierskich powinien być dalej obrabiany cieplnie przez „odpuszczanie”.

Bainit - mieszanina przesyconego ferrytu i wydzielonych węglików. Powstaje w wyniku przemiany bainitycznej. Ma ona charakter częściowo dyfuzyjny. Wraz z obniżaniem temperatury przemiany zwiększa się udział przemiany bezdyfuzyjnej i twardość bainitu. Twardość bainitu jest mniejsza od twardości martenzytu.

Austenit szczątkowy w stopach Fe-C powstaje w trakcie przemiany martenzytycznej. Jest to pozostałość austenitu, która nie uległa przemianie na skutek powstałych w trakcie procesu naprężeń ściskających. Naprężenia te utrudniają tworzenie się martenzytu.

Ilość austenitu szczątkowego zależna jest od temperatur początku i końca przemiany martenzytycznej. Im temperatury te są niższe tym większe występują naprężenia i wskutek tego zwiększa się ilość austenitu szczątkowego.

3. Przemiana martenzytyczna, przemiana perlityczna, przemiana bainityczna;

Przemiana martenzytyczna – bezdyfuzyjna przemiana przesyconego stopu żelaza zwanego austenitem, jaka zachodzi w czasie hartowania stali. Aby z austenitu otrzymać martenzyt należy chłodzić z prędkością większą od krytycznej. Ponieważ przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną rzadko kiedy dochodzi do końca (czyli wtedy kiedy 100% austenitu ulega przemianie). Austenit który nie uległ przemianie nazywany jest austenitem szczątkowym. Im większy udział procentowy (%C wagowy) tym więcej austenitu nie ulegnie przemianie. Austenit szczątkowy znacząco obniża właściwości wytrzymałościowe, ale jest niekiedy zjawiskiem pożądanym (np. stale narzędziowe szybkotnące wymagają około 20% austenitu szczątkowego ). Stal po skończonej przemianie martenzytycznej jest twarda i zbyt krucha aby wykorzystać ją na główne elementy konstrukcyjne, dlatego należy poddać ją procesowi odpuszczania.

Przemiana bainityczna - zachodzi w stalach węglowych poniżej temperatury najmiejszej trwałości austenitu. Jest również nazywana przemianą pośrednią. Przyjmuje się że zaczyna się od utworzenia zarodków ferrytu, które powstają na granicach ziarn austenitu wskutek fluktuacji stężenia węgla. Z ferrytu tego wydzielają się bardzo drobne cząstki węglików. Przemiana bainityczna zaczyna się po chłodzeniu austenitu do pewnej określonej temperatury. Upodabnia ja to do przemiany martenzytycznej. Od przemiany martenzytycznej różni się tylko tym że wzrost płytek bainitu jest powolny i ciągły, co świadczy o dyfuzyjnym charakterze przemiany. Cechy morfologiczne bainitu różnią się od perlitu. Bainit górny jest pierzasty, dolny iglasty. W bainicie górnym wydzielenia węglików są grubsze i zorientowane przeważnie równolegle do osi płytek ferrytu. W bainicie dolnym węgliki są drobniejsze i i układają się w poprzeczne pasma pod kątem 55º do osi płytek. Twardość bainitu jest większa od perlitu, a mniejsza od martenzytu.

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temperatury Ar1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzącą przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie, czyli w sposób uprzywilejowany, na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednorodnym austenicie - na granicach ziarn tej fazy. Wzrost płytki cementytu bogatej w węgiel powoduje znaczne zmniejszenie stężenia węgla w austenicie do wartości Ca, umożliwiającej powstanie płytki ferrytu. W wyniku ograniczonej rozpuszczalności węgla w ferrycie jego nadmiar wzbogaca austenit w pobliżu utworzonej płytki ferrytu, umożliwiając tworzenie kolejnej płytki cementytu Proces kolejnego dobudowywania płytek trwa aż do wyczerpania się austenitu. Przemiana perlityczna przebiega również przez wzrost czołowy utworzonych wcześniej płytek.

4. Kinetyczne wykresy przemian fazowych (CTPi, CPTc);

1. Kinetyczne wykresy przemian fazowych (CTPi, CTPc).

Każda stal ma charakterystyczny dla niej wykres CTPi, wazny w obróbce cieplnej, gdyż na jego podstawie można przewidywać skłonność austenitu do przemiany dyfuzyjnej i konieczna szybkość chłodzenia do jej zahartowania, jak również strukturę, jaka powstanie po przemianie w określonej temperaturze.Wykresy CTPi można sporządzić różnymi metodami. Najprostsze są metody:metalograficzna i twardości.

Wykresy CTPi są rzeczywistym odbiciem przemian zachodzących w stalach przy chłodzeniu ciągłym, dlatego że okres przebywania austenitu w niższej temperaturze nie jest równoważny jego okresowi przebywania w wyższej temperaturze. Ponieważ jednak wiele istotnych procesów obróbki cieplej jest związane z chłodzeniem ciągłym stali, zaczęto opracowywać również wykresy CTPc.

CTPc - Wykresy takie sporządza się najczęściej metodą dylatometryczną stosując odpowiednio zaprogramowane różne przebiegi chłodzenia. Wykresy CTPc opracowano dla najczęściej stosowanych stali i zamieszczono w kartach materiałowych i poradnikach obróbki cieplnej poradnikach obróbki cieplnej.

Krzywe czas-temperatura-przemiana CTP

•CTPi przy chłodzeniu izotermicznym

•CTPc przy chodzeniu ciągłym

6. Krytyczna szybkość chłodzenia;

Krytyczna szybkość chłodzenia - najmniej sza szybkość chłodzenia, przy której uzyskamy jeszcze strukturę całkowicie martenzytyczną. Im mniejsza jest szybkość krytyczna tym większa jest hartowność stali.

Na szybkość krytyczna chłodzenia wpłvwaja dwa czynniki:

- zawartość węgla i składników stopowych w austenicie (węgiel i dodatki stopowe, z wyjątkiem kobaltu, zwiększają hartowność)

- wielkość ziarna austenitu przed rozpoczęciem chłodzenia (im większe ziarno, tym mniejsza hartowność i większa szybkość chłodzenia)

7. Hartowność, Utwardzalność, Przehartowywalność;

Hartowność jest pojęciem wyrażającym skłonność stali do tworzenia struktury martenzytycznej pod wpływem hartowania. Za strefę zahartowaną przyjmuje się obszar zawierający co najmniej 50% martenzytu. Twardość strefy  półmartenzytycznej (zawierającej 50% martenzytu), określa się mianem twardości krytycznej.

W międzynarodowej normie technologicznej "Euronorm 52-15", w definicji hartowności rozróżnia się dwa pojęcia:

- utwardzalność - podatność  stali do hartowania, wyrażona  najwyższą twardością jaką można  osiągnąć w wyniku hartowania,

- przehartowalność -  podatność stali do utwardzania się, w głąb przekroju pod wpływem hartowania.

Hartowność można również określić za pomocą szybkości krytycznej, odpowiadającej  najmniejszej szybkości chłodzenia od temperatury austenityzacji, zapewniającej tworzenie się struktury martenzytycznej

Utwardzalność stali zależy głównie od zawartości węgla, natomiast na rzeczywistą twardość po hartowaniu wywiera wpływ zarówno nasycenie martenzytu węglem oraz zawartość  martenzytu w strukturze

Przehartowywalność zależy od składu chemicznego stali a także od jednorodności austenitu i wielkości ziarna przed chłodzeniem.

8. Czynniki wpływające na hartowność, Wpływ dodatków stopowych na hartowność;

Czynniki wpływające na hartowność

- Skład chemiczny - węgiel i wszystkie pierwiastki z wyjątkiem kobaltu, jeżeli są rozpuszczone w austenicie, zwiększają hartowność stali (przesuwają linie wykresu CTPc w prawo).

- Jednorodność austenitu - im większa jednorodność austenitu tym hartowność stali większa, ponieważ brak jest dodatkowych zarodków przyśpieszających rozkład austenitu w zakresie przemiany perlitycznej. Niejednorodność austenitu może być spowodowana obecnością wtrąceń niemetalicznych (tlenki, azotki itp.) i węglików lub również brakiem wyrównania składu chemicznego w objętości ziaren austenitu.

- Wielkość ziarna austenitu - im większe ziarno tym większa hartowność. Wynika to z faktu zmniejszania się, ilości uprzywilejowanych miejsc zarodkowania cementytu, którymi są m.in. granice ziaren. Struktura gruboziarnista -ma mniejszą sumaryczną powierzchnię ziaren w stosunku do struktury drobnoziarnistej.

9. Metody badania hartowności;

Metody badania hartowności

Obecnie hartowność stali wyznacza się metodami:

• na przełomie

• metodą Grossmanna, zwaną również metodą krzywych U

• metodą Jominy’ego, zwaną próbą hartowania czołowego.

Obserwacja przełomu jest metodą warsztatową badania hartowności. Przy przełamaniu zahartowanego pręta część zahartowana ma przełom jedwabisty, matowy, natomiast część nie zahartowana jest błyszcząca. Metodę tę stosuje się do badania stali narzędziowych.

Metoda krzywych U polega na pomiarze twardości na przekroju zahartowanej próbki o kształcie walca. Próbka musi mieć wystarczającą długość, aby można było pominąć wpływ chłodzenia od powierzchni czołowych. Po zahartowaniu próbki i wycięciu z jej części środkowej krążka, mierzy się twardości (HRC) na przekroju poprzecznym wzdłuż średnicy w dwóch prostopadłych kierunkach. Na wykresie rozkład twardości na przekroju próbki nie zahartowanej na wskroś przypomina liter U, jak to przedstawia rys. 2. Znając wartość twardości krytycznej dla danego gatunku stali można rozgraniczyć strefę zahartowaną od nie zahartowanej i określić grubość strefy zahartowanej.

Badanie hartowności metodą od czoła, czyli próbą Jominy'ego, przeprowadza się opierając się na normie PN-79/H-04402. Metodę tę stosuje się celem określenia hartowności stali konstrukcyjnych, węglowych i stopowych nie hartujących się w powietrzu. Badanie przeprowadza się na próbce znormalizowanej o wymiarach.

10. Krzywa hartowności, pasmo hartowności;

Krzywa hartowności - wykres twardości w funkcji odległości od czoła próbki.

Pasmo hartowności danej stali, określaja możliwe wahanie hartowności stali danego gatunku.

11.Twardość krytyczna, idealna średnica krytyczna, średnica krytyczna;

Średnica krytyczna to taka średnica materiału, przy której w rdzeniu otrzymujemy strukturę 50% martenzytyczną. Im materiał ma mniejszą szybkość krytyczną, tym średnica materiału jest większa.

Idealna średnica krytyczna - największa możliwa krytyczna jaką można otrzymać stosując hipotetyczny ośrodek chłodzący.

Twardość krytyczna - maksymalna twardość stali po zahartowaniu

12. Rodzaje i charakterystyka ośrodków chłodzących;

Rodzaje ośrodków chłodzących

•Woda, roztwory wodne soli, zasad, polimerów

•Oleje hartownicze

•Kąpiele solne i metalowe

•Złoża fluidalne

•Powietrze i inne gazy

13. Podział stopów żelaza. Klasyfikacja stali, staliwa, żeliwa;

SURÓWKA –jest to wieloskładnikowy stop żelaza z węglem (powyżej 3,5% C ) i innymi pierwiastkami otrzymywany w procesie wielkopiecowym w wyniku redukcji tlenków żelaza. - ( stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C>3,5%,).

STAL – jest to wieloskładnikowy żelaza z węglem ( praktycznie poniżej 1,4% C ) i innymi pierwiastkami, otrzymywany w procesie stalowniczym w wyniku świeżenia (utleniania) węgla i przeznaczony do dalszej przeróbki w walcowni lub kuźni.( stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<1,4%,)

ŻELIWO – jest to odlewniczy stop żelaza z węglem ( poniżej 3,5% C ) i innymi pierwiastkami otrzymywany przez przetapianie: surówki, złomu i innych dodatków, krzepnący w zakresie eutektycznym. – ( stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C>2% przeznaczony na odlewy kształtowe,

STALIWO – jest to wieloskładnikowy stop żelaza z węglem ( poniżej 2,0% C ) i innymi pierwiastkami, otrzymany w procesie stalowniczym w wyniku świeżenia (utleniania) węgla i przeznaczony do wypełniania form odlewniczych - ( stop żelaza z węglem i innymi domieszkami o zawartości C<2% przeznaczony na odlewy kształtowe).

14. Rodzaje obróbki cieplnej stosowane dla stali i uzyskane po nich właściwości;

Hartowanie wyżarzanie odpuszczanie

15. Rodzaje obróbki cieplnej stosowane dla staliwa i uzyskane po nich właściwości;

Wyżarzanie odprężające ujednorodniające normalizujące

16. Rodzaje obróbki cieplnej stosowane dla żeliwa i uzyskane po nich właściwości

Ulepszanie cieplne, normalizujące odprężające ulepszanie cieplne

1 Wyżarzanie ujednorodniające (homogenizacja) – obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu materiału do temperatury 1050 °C÷1250 °C, wygrzaniu i studzeniu po upływie pewnego czasu. Celem wyżarzania jest zmniejszenie niejednorodności składu chemicznego. Stosowana głównie dla wlewków i elementów, w których nastąpiła niepożądana segregacja domieszki (tzw. mikrosegregacja)[1].

2 Wyżarzanie zupełne – obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu materiału do temperatury 30 °C÷50 °C, powyżej temperatury 800⁰C wygrzaniu i wolnym studzeniu po upływie pewnego czasu. Celem wyżarzania jest uzyskanie struktury zbliżonej do równowagowej, usunięcie naprężeń wewnętrznych, polepszenie obrabialności, zmniejszenie twardości materiału z jednoczesnym poprawieniem ciągliwości, jeżeli w materiale występowały wydzielenia o niepoprawnych postaciach[1].

3 Wyżarzanie niezupełne - obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu stali podeutektoidalnej do temperatury 700 lub dla stali nadeutektoidalnej do A1÷Acm, wygrzaniu i wolnym studzeniu po upływie pewnego czasu. Celem wyżarzania jest uzyskanie struktury zbliżonej do równowagowej, usunięcie naprężeń wewnętrznych, polepszenie obrabialności, zmniejszenie twardości materiału z jednoczesnym poprawieniem ciągliwości, jeżeli w materiale wyjściowym występowały wydzielenia ferrytu (stal podeutektoidalna) lub cementytu wtórnego (stal nadeutektoidalna) o poprawnej postaci[3].

4 Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie) – obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu materiału do temperatury 30 °C÷50 °C, powyżej temperatury Ac3, wygrzaniu i studzeniu na powietrzu. Celem wyżarzania jest uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej (poprawienie własności wytrzymałościowych). Stosuje się je głównie dla stali podeutektoidalnych[3].

5 Wyżarzanie z przemianą izotermiczną - obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu materiału do temperatury 30 °C÷50 °C, powyżej temperatury Ac1, wygrzaniu i szybkim ochłodzeniu w zakres temperatur Ar1f, a 550 °C. Następnie wykonuje się wytrzymanie izotermiczne, aż do zakończenia przemiany perlitycznej i następnie studzi się materiał na powietrzu. Celem wyżarzania jest zmniejszenie twardości. Stosuje się je głównie dla stali stopowych. Jedno z dwóch wyżarzań zmiękczających[3].

6 Wyżarzanie sferoidyzujące (zmiękczanie) – obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu materiału do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu i bardzo wolnym studzeniu do temperatury 600 °C. Dalsze studzenie może być dowolne. Celem wyżarzania jest zmniejszenie twardości w wyniku zmiany kształtu wydzieleń cementytu na sferoidalny (sferoidyzacja). Jedno z dwóch wyżarzań zmiękczających[3].

7 Wyżarzanie perlityzujące (perlityzowanie)- polega na ostudzeniu stali do temperatury niższej od Ar1 tak, aby nastąpiła przemiana perlityczna, po czym nagrzewa się ją ponownie do temperatury austenityzowania celem zahartowania. W wyniku perlityzowania uzyskuje się rozdrobnienie ziarna austenitu, gdyż zawsze następuje to przy nagrzewaniu powyżej Ac1. Zwiększa to dyspersję martenzytu i poprawia własności[potrzebne źródło].

8 Wyżarzanie grafityzujące (grafityzacja) – stosuje się w stosunku do żeliwa białego w celu uzyskania żeliwa ciągliwego. W czasie tego typu wyżarzania cementyt rozkłada się na ferryt i grafit[potrzebne źródło].

9 Wyżarzanie odprężające – obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu materiału do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu i wolnym studzeniu. Celem wyżarzania jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych oraz spowodowanych przeróbką plastyczną na zimno. Nie dokonuje się zmiana struktury stali[4].

10 Wyżarzanie rekrystalizujące (rekrystalizacja) – obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu materiału do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu i studzeniu z dowolną szybkością. Celem wyżarzania jest spowodowanie zajścia rekrystalizacji w stalach odkształconych plastycznie na zimno[4].

11 Wyżarzanie stabilizujące (stabilizowanie) – przeprowadzane w temperaturach pomiędzy 100÷150 °C i trwa od kilku do kilkudziesięciu minut, w stosunku do wyrobów odlewniczych w celu usunięcia naprężeń odlewniczych. Stabilizowanie jest przyspieszoną metodą sezonowania[potrzebne źródło].