1. Składniki strukturalne

1. Roztwór ciekły - roztwór ciekły węgla w żelazie.

2. Ferryt - roztwór stały graniczny węgla w żelazie α.

3. Austenit - roztwór stały graniczny węgla w żelazie γ.

4. Cementyt - węglik złożony Fe3C:

• pierwszorzędowy (pierwotny) - wydzielający się z roztworu ciekłego zgodnie ze zmienną rozpuszczalnością węgla w cieczy wzdłuż linii CD.

• drugorzędowy (wtórny) - wydzielający się w stanie stałym z austenitu w wyniku malejącej rozpuszczalności węgla w roztworze stałym γ wzdłuż linii ES.

• trzeciorzędowy - wydzielający się w stanie stałym z ferrytu w wyniku malejącej rozpuszczalności węgla w roztworze stałym α wzdłuż linii PQ.

5. Perlit - mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu, zawierająca 0,77% C, występująca poniżej 727°.

6. Ledeburyt - mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu, zawierająca 4,30% C, trwała w zakresie od 727 do 1148°C.

7. Ledeburyt przemieniony - mieszanina perlitu i cementytu, utworzona w wyniku przemiany austenitu z ledeburytu w perlit, trwała poniżej temperatury 727°C.

2. Pojęcia

1. faza międzymetaliczna - stan pośredni miedzy roztworem stałym a związkiem chemicznym. Cechy charakterystyczne: struktura krystaliczna odmienna od struktury składników, uporządkowane rozmieszczenie atomów - składników w sieci oraz stała proporcja atomów. Fazy międzymetaliczne mogą być: trwałe, różnowęzłowe, międzywęzłowe, pustowęzłowe.

2. utwardzalność - podatność stali na hartowanie, miarą której jest zależność największej - możliwej do uzyskania po hartowaniu - twardości od warunków austenityzowania. Utwardzalność jest uzależniona od warunków austenityzowania oraz stężenia węgla w austenicie.

3. przehartowalność - podatność stali na hartowanie jako zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia.

4. martenzyt - przesycony roztwór węgla w żelazie α.

5. bainit - ferryt przesycony węglem i dyspersyjnymi węglikami.

Obróbka cieplna: proces technologiczny, w wyniku którego zmienia się własności mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w stanie stałym przez wywoływanie zmian struktury wskutek oddziaływania temperatury, czasu oraz innych czynników (zwykła, ciepło-chemiczna, ciepło-plastyczna, ciepło-magmatyczna)

Materiał poddawany obróbce cieplnej nazywamy wsadem.

Skala wielkości ziarna m=8*2^G m-liczna ziarna na 1mm^2, G-nr wzorca skali

3. Obróbka cieplna zwykła

1. wyżarzanie - operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury . wygrzaniu i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi.

• z przemianą alotropową

1. ujednorodniające - nagrzanie do 1050-1200°C; długotrwałe wygrzewanie; studzenie; cel: ograniczenie niejednorodności składu chemicznego;

2. normalizujące - nagrzanie do temp. o 30÷50°C wyższej od Ac₃; wygrzanie; studzenie w spokojnym powietrzu;
   cel: uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej - polepszenie własności mechanicznych stali;

3. zupełne - nagrzanie do temp. o 30÷50°C wyższej od Ac₃, Ac_cm (linia GSE); wygrzanie; bardzo wolne chłodzenie;

4. zmiękczające (sferoidyzujące) - nagrzanie do temp. ± 20°C wokół Ac₁; wygrzanie; bardzo wolne chłodzenie do ok. 600°C; dowolne chłodzenie do temp. otoczenia; cel: wytworzenie struktury cementytu kulkowego w osnowie ferrytu (niska twardość, dobra skrawalność i podatność na obróbkę plastyczną)

5. izometryczne - nagrzanie do temp. o 30÷50°C wyższej od Ac₁; wygrzanie; szybkie ochłodzenie do temp. nieco niższej od Ac₁; wytrzymanie izotermiczne, aż do zakończenia przemiany perlitycznej; chłodzeniu w powietrzu; cel: obniżenie twardości;

2. bez przemiany alotropowej

1. rekrystalizujące - nagrzanie metalu (odkształconego plastycznie na zimno) do temp. wyższej od temperatury rekrystalizacji; wygrzanie; chłodzenie z dowolną szybkością; cel: usunięcie umocnień zgniotowych - zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu, co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.

2. odprężające - nagrzanie stali do temp. niższej od Ac1; wygrzanie; powolne studzenie; cel: usunięcie naprężeń.

3. utwardzanie / ulepszanie cieplne - utwardzanie cieplne = hartowanie i niskie odpuszczanie;
   ulepszanie cieplne = hartowanie i wysokie odpuszczanie;

• hartowanie

1. martenzytyczne - polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej.

2. bainityczne - polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania, wygrzaniu i chłodzeniu z szybkością mniejszą od krytycznej lub z wygrzewaniem izotermicznym w warunkach zapewniających przebieg przemiany bainitycznej.

3. objętościowe - austenityzowanie obejmuje całą objętość przedmiotu obrabianego.

4. powierzchniowe - polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu.

2. odpuszczanie - polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac₁, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej. Dzieli się je na niskie(150÷200°C), średnie(250÷500°C) wysokie(500°C÷Ac₁). Odpuszczanie powoduje usunięcie naprężeń hartowniczych oraz stopniowe zwiększanie własności plastycznych kosztem wytrzymałościowych.

utwardzanie wydzieleniowe - proces składający się z operacji przesycania i starzenia.

• przesycanie - polega na nagrzaniu stopu do temperatury wyższej o ok. 30÷50°C od granicznej rozpuszczalności w celu rozpuszczenia wydzielanego składnika (w stalach najczęściej cementytu trzeciorzędowego) w roztworze stałym, wygrzaniu i szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycania stop uzyskuje strukturę jednofazową. W przypadku stali austenitycznych strukturę stanowi austenit przesycony węglem. Własności wytrzymałościowe stali po przesycaniu ulegają niewielkiemu zmniejszeniu - zwiększają się własności plastyczne.

• starzenie - polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu i studzeniu. W czasie starzenia następuje wydzielanie w przesyconym roztworze stałym składnika znajdującego się w nadmiarze, w postaci faz o wysokiej dyspersji. Starzenie powoduje umocnienie, przejawiające się zwiększeniem własności wytrzymałościowych i zmniejszeniem własności plastycznych.

4. Przemiany

1. martenzytyczna - przemiana bezdyfuzyjna; zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury Ms, przy chłodzeniu ciągłym z szybkością większą od krytycznej υ_k.

2. bainityczna - łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie ok. 450÷200°C.

3. perlityczna - przemiana dyfuzyjna; zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temperatury A₁.(linia PS)

5. Wykresy

1. izotermiczne CTPi

Na wykresach izotermicznych są podawane linie początku i końca przemiany austenitu w perlit, bainit i martenzyt w zależności od czasu τ przy stałej temperaturze przemiany t.

2. anizotermiczne CTPc

Wykresy CTPc charakteryzują przemiany austenitu przechłodzonego przy chłodzeniu z różnymi szybkościami.

3. Fe-C

6. Obróbka powierzchniowa

1. Metody konstruowania warstw powierzchniowych

• mechaniczne, wykorzystujące nacisk lub energię kinetyczną narzędzia albo cząstek w celu umocnienia warstwy wierzchniej na zimno bądź otrzymania powłoki ochronnej na zimnym podłożu,

• cieplno - mechaniczne, w których wykorzystuje się łączne oddziaływanie ciepła i nacisku w celu otrzymania powłok, jak również niekiedy warstw wierzchnich,

• cieplne, które są związane z oddziaływaniem ciepła na warstwę powierzchniową materiałów w celu spowodowania zmian struktury materiałów, głownie metali, w stanie stałym, jak również zmian stanu skupienia ze stanu stałego w stan ciekły i następnie odwrotnie, materiałów pokrywanych (nadtopienie), jak i pokrywających (napawanie lub natapianie),

• cieplno-chemiczne, w których oddziałują łącznie ciepło i aktywny chemicznie ośrodek, w celu pokrycia obrobionego materiału, głownie stopów metali, wymaganym pierwiastkiem lub substancją chemiczną dla spowodowania zmian struktury warstwy powierzchniowej; wśród metod cieplno-chemicznych oddzielną grupę stanowią procesy chemicznego osadzania z fazy gazowej CVD,

• chemiczne i elektrochemiczne, polegające na bezpośrednim osadzeniu materiału niemetalowego lub metalowego na powierzchni obrabianego elementu (np. powłoki malarskie, z materiałów polimerowych, powłoki galwaniczne i konwersyjne), usuwaniu zanieczyszczonej lub utlenionej warstwy powierzchniowej w procesach trawienia i polerowania lub zestalania cieplno-chemicznego przez samoutlenianie oraz polimeryzację tlenową substancji błonotwórczych bądź sieciowanie w temperaturze pokojowej lub podwyższonej żywic chemoutwardzalnych nanoszonych metodami lakierniczymi,

• fizyczne, związane z osadzaniem powłok adhezyjnie połączonych z podłożem, niekiedy z udziałem połączeń dyfuzyjnych w wyniku zjawisk fizycznych przebiegających pod ciśnieniem atmosferycznym (np. odparowanie rozpuszczalnika podczas nanoszenia powłoki malarskiej) lub zwykle pod ciśnieniem obniżonym, z udziałem jonów, jak napawanie, napylanie, rozpylanie, implantowanie jonów lub pierwiastków metalicznych bądź niemetalicznych; do metod tych należy fizyczne osadzanie z fazy gazowej PVD, związane z odparowaniem metali lub stopów lub rozpylaniem katodowym w próżni i jonizacją gazów par metali, których cechą jest krystalizacja par z plazmy.

2. Obróbka cieplno-chemiczna jest dziedziną obróbki cieplnej obejmującą zespół operacji i zabiegów umożliwiających zmianę składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej stopu (a przez to zmianę własności obrabianych elementów) w wyniku zmian temperatury i chemicznego oddziaływania ośrodka. Obróbka cieplno-chemiczna polega zatem na zamierzonej dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy powierzchniowej elementów metalowych w celu uzyskania odpowiednich ich własności użytkowych.

3. Nawęglanie polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Nawęglanie odbywa się najczęściej w temperaturze 900÷950°C. O grubości warstwy nawęglonej, która zwykle osiąga 0,5÷2 mm, decyduje czas nawęglania, który dobiera się tak, aby skład fazowy warstwy powierzchniowej odpowiadał strukturze stali eutektoidalnej. Nawęglanie z następnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą: twardość powierzchni, odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe, znaczną wytrzymałość zmęczeniową. Rdzeń stali po takich operacjach obróbki cieplno-chemicznej i cieplnej wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dynamiczne działanie obciążeń.

4. Azotowanie polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali azotem podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu przez określony czas w ośrodku zawierającym wolne atomy azotu. Operacja ta jest wykonywana w temperaturze niższej od Ac1. Azotowanie zapewnia odporność na korozję, ścieranie, wytrzymałość na rozciąganie, twardość.