Stopy metali.

Faza międzymetaliczna. są połączeniami metali lub metali z niemetalami i wykazują

własności metaliczne ze względu na częściowy lub całkowity udział wiązania metalicznego między atomami wchodzącymi w skład fazy. Charakterystyczne cechy faz międzymetalicznych opisują cztery zasady: struktura krystaliczna faz międzymetalicznych różni się od struktury każdego ze składników, atomy każdego ze składników wykazują uporządkowane rozmieszczenie w sieci krystalicznej, w oddziaływaniach między atomami występuje przewaga wiązania metalicznego, wzajemne stosunki ilościowe atomów składników rzadko odpowiadają wartościowościom chemicznym pierwiastków, jakie wykazują one w związkach chemicznych, chociaż fazom można przypisać wzory podobne do wzorów związków chemicznych.

Reguła faz Gibbsa, zależność pomiędzy liczbą faz w układzie wielofazowym, a liczbą stopni swobody tego układu: f = k - s + 2,

gdzie: f - liczba faz, k - liczba niezależnych składników, s - liczba stopni swobody.

Na podstawie reguły faz Gibbsa (J.W. Gibbs) i odpowiednich diagramów fazowych można przewidzieć ewolucję układu pod wpływem zmieniających się warunków (parametrów zewnętrznych i składu).

Eutektyk (eutektyka, mieszanina eutektyczna) - mieszanina dwóch lub więcej faz krystalicznych o określonym składzie, która wydziela się z roztworów ciekłych lub stopów w określonej temperaturze, zwanej temperaturą eutektyczną. Jest ona na ogół znacznie niższa od temperatury krzepnięcia czystych składników. Kryształy eutektyku są czystymi kryształami składników lub roztworami stałymi o różnych składach. W tym ostatnim przypadku mówi się o eutektykach roztworów stałych. Eutektyki są stałymi odpowiednikami mieszanin azeotropowych. Przykładem eutektyku jest ledeburyt, który powstaje w układzie żelazo-cementyt przy stałej temperaturze. Przemiana układu żelazo-cementyt zachodzi we wszystkich stopach żelaza z węglem zawierających powyżej 2,11% węgla (żeliwach).

Alotropia - zjawisko występowania różnych odmian krystalograficznych tego samego pierwiastka chemicznego. Alotropia jest szczególnym przypadkiem polimorfizmu czyli różnopostaciowości substancji.

Odmiany alotropowe żelaza:

- α (trwała w temperaturze do 768oC, ma własności ferromagnetyczne),

- β (trwała w temperaturze 768-910°C, paramagnetyczna),

- γ (trwała w temperaturze 910-1400°C),

- δ (trwała w temperaturze powyżej 1400°C).

Polimorfizm (różnopostaciowość) - zjawisko występowania różnych odmian krystalograficznych tej samej substancji. Występuje ono wtedy, gdy ta sama substancja może występować w dwóch lub nawet kilku formach krystalicznych.

Ferryt, roztwór stały węgla w żelazie α. Ferryt jest strukturą niemalże czystego żelaza (zawartość węgla do 0,03 %), powstaje w skutek rozpadu austenitu podczas studzenia stopu. Ferryt jest składnikiem strukturalnym stali i żeliw.

Perlit, składnik strukturalny stopów żelazo-węgiel. Perlit jest mieszaniną eutektoidalną, składającą się z ułożonych na przemian płytek ferrytu i cementytu, powstającą w wyniku rozpadu austenitu w temperaturze 723°C. Po wypolerowaniu i wytrawieniu przypomina masę perłową - stąd nazwa.

Cementyt, węglik żelaza Fe3C, kruchy, odporny chemicznie i bardzo twardy składnik stali i żeliw białych. Do temperatury 2100C wykazuje właściwości ferromagnetyczne, powyżej - paramagnetyczne.

Ledeburyt, stop eutektyczny, składnik strukturalny żeliw i surówek białych (surówka) o eutektyce złożonej z cementytu i austenitu. Ledeburyt wydziela się z ciekłego roztworu żelazo-węgiel (przy zawartości węgla powyżej 2,06%).

Ferromagnetyzm - zjawisko, w którym materia wykazuje własne, spontaniczne namagnesowanie. Jest jedną z najsilniejszych postaci magnetyzmu i jest odpowiedzialny za większość magnetycznych zachowań spotykanych w życiu codziennym. Razem z ferrimagnetyzmem jest podstawą istnienia wszystkich magnesów trwałych (jak i zauważalnego przyciągania innych ferromagnetycznych metali przez magnesy trwałe).

Stal, stop żelaza z węglem (do 2,06% C) i in. pierwiastkami wprowadzonymi w celu uzyskania żądanych własności, najczęściej mechanicznych, technologicznych, elektrycznych, magnetycznych, chemicznych i in., obrabialny plastycznie, otrzymywany w procesach stalowniczych w stanie ciekłym.

Staliwo, stal w postaci lanej w gotowych odlewach budowlanych, maszynowych lub in. W zależności od składu chemicznego rozróżnia się staliwo: węglowe (zawierające do 2% węgla oraz in. pierwiastki pochodzące z przerobu hutniczego) i stopowe (zawierające, oprócz węgla i składników pochodzących z procesu metalurgicznego, składniki stopowe, np. chrom, nikiel, mangan, krzem - wprowadzone w celu uzyskania żądanych własności mechanicznych, technologicznych i in.).

Żeliwo, odlewniczy stop żelaza z węglem (zawartość węgla - 2-4,5%), krzemem, manganem, fosforem, siarką i innymi składnikami, otrzymywany przez stopienie w żeliwiaku surówki wielkopiecowej z dodatkiem złomu żeliwnego i stalowego oraz żelazostopów. W zależności od postaci, w jakiej występuje węgiel rozróżnia się żeliwa: szare (węgiel w postaci grafitu), białe (węgiel w postaci węglika żelaza - cementytu) oraz połowiczne (w pewnych skupieniach węgiel występuje jako grafit, w innych jako cementyt). Dodanie krzemu, niklu i aluminium, jak również powolne chłodzenie sprzyjają wydzielaniu się grafitu, natomiast domieszki manganu i siarki oraz szybkie chłodzenie - tworzeniu się cementytu.

Surówka, produkt redukcji rudy żelaza w wielkim piecu, będący stopem żelaza m.in. z węglem, krzemem, manganem, siarką, fosforem. Można wyróżnić tzw. surówkę białą - gdy węgiel występuje głównie w formie cementytu (Fe3C), twarda lecz trudna do obróbki oraz surówkę szarą - gdy węgiel występuje głównie w formie grafitu, mniej wytrzymałakol. 2

Obróbka metali.

Plastyczna. polegająca m.in. na:

walcowaniu, kuciu, prasowaniu, ciągnieniu.

Celem obróbki plastycznej jest uzyskanie gotowych produktów i półproduktów

hutniczych, takich jak: pręty, kształtowniki, rury, druty, blachy, odkuwki.

W zależności od wymaganych własności produktów hutniczych oraz rodzaju

obrabianego metalu lub stopu obróbka plastyczna może odbywać się: na zimno, na gorąco.

Obróbka plastyczna na zimno jest wykonywana w temperaturze niższej od temperatury

rekrystalizacji, a na gorąco - powyżej tej temperatury.

Żaroodporność: to odporność stopu na działanie czynników chemicznych, głównie powietrza oraz spalin i ich agresywnych składników w temperaturze wyższej niż 550°C. Żaroodporność jest ściśle związana ze skłonnością stali do tworzenia zgorzeliny. Zgorzelina powinna stanowić ciągłą warstwę, dokładnie przylegającą do metalicznego rdzenia, co utrudnia dyfuzję utleniacza i jonów metalu. Wymagania te spełniają niskowęglowe stale o jednofazowej strukturze ferrytu lub austenitu, o dużym stężeniu chromu i niklu oraz dodatkowo krzemu i aluminium.

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 w temp. 900-950. O grubości warstwy nawęglonej (zwykle 0,5-2mm) decyduje czas nawęglania, który dobiera się tak, aby skład fazowy warstwy powierzchniowej odpowiadał strukturze stali eutektoidalnej.

W warstwie nawęglonej wyróżniamy kilka stref:

- nadeutektoidalna - o strukturze perlitu z cementytem

- eutektoidalna - o strukturze perlitycznej

- podetektoidalna - o strukturze perlityczno - ferrytycznej.

Nawęglanie z następnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą

twardość powierzchni obrobionych elementów, dużą 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. W celu zapewnienia wymienionych własności nawęglanie jest stosowane między innymi w procesach technologicznych kół zębatych, wałków zębatych i z wielowypustami, wałków rozrządu, sworzni tłokowych i kulistych, pierścieni i wałków łożysk tocznych o dużych wymiarach.

Azotowanie. 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.

Wpływ azotowania. Strefa azotków i węglikoazotków ε decyduje o odporności na ścieranie stali węglowych. W przypadku stali stopowych na własności te wpływa dodatkowo strefa dyfuzyjna. Warstwa azotowana wykazuje największą odporność na ścieranie, gdy jest twarda i nieporowata i gdy jej grubość wynosi 0,020÷0,025 mm. Pod względem strukturalnym warstwa taka jest złożona z mieszaniny azotków i węglikoazotków

ε + γ. W miarę wzrostu czasu azotowania narasta wyłącznie powierzchniowa strefa

azotków i węglikoazotków ε, porowata i krucha. Jednocześnie następuje przesuwanie

się w głąb strefy mieszaniny azotków i węglikoazotków ε + γ′ o stałej grubości

0,020÷0,025 mm, zwartej, bez porów i o dużej twardości 800÷1200 HV0,05.

Z tego względu warstwy uzyskane w wyniku azotowania krótkookresowego cechują

się wysoką odpornością na ścieranie.

Obróbka cieplno - chemiczna+metody.

Jest to zabieg cieplny, który ma na celu wprowadzenie pierwiastka w warstwę powierzchniową stali lub usunięcie go z niej. Proces ten następuje na skutek dyfuzji zachodzącej podczas wygrzewania stali w odpowiednim ośrodku. Celem tego procesu jest utwardzenie powierzchni lub jej uodpornienie na ścieranie. Rdzeń pozostaje miękki, ciągliwy, podatny na obciążenia dynamiczne i zmęczeniowe. Obróbce cieplno-chemicznej poddaje się części maszyn takie jak: czopy wałów, koła zębate, krzywki sterujące.

Podział:

1.Dyfuzyjne nasycanie niemetali

-nawęglanie: gazowe, potasowe

-azotowanie: gazowe, jonowe

-węgloazotowanie: niskotemperaturowe, wysokotemperaturowe

-siarkoazotowanie

-siarkowęgloazotowanie

-borowanie

2.Dyfuzyjne nasycanie metali

-chromowanie

-tytanowanie

-cynkowanie

-aluminiowanie

-chromoaluminiowanie

a) CVD - metoda ta polega na tworzeniu warstwy węglików i azotków metali ze składników atmosfery gazowej, na powierzchni obrabianego przedmiotu. Składniki atmosfery mogą być aktywowane cieplnie lub plazmą. W procesie tworzenia warstwy biorą udział składniki podłoża. Wytwarzanie warstw metoda CVD następuje w szczelnym reaktorze w wyniku niejednorodnych, katalizowanych fizycznie i chemicznie reakcji na powierzchni stali w temp ok. 1000 i przy ciśnieniu 1*105-1,35*103 Pa.

b) PVD - metoda ta polega na osadzaniu się warstwy z fazy gazowej z udziałem reakcji fizycznych. Metody PVD wykorzystują zjawiska fizyczne. W metodzie PVD warstwa powstaje z plazmy. Pary metali i związków osadzane są w specjalnym urządzeniu na zimnym, lub podgrzanym do temp 200-500 podłożu, co pozwala na pokrywanie podłoża zahartowanego i odpuszczonego bez niebezpieczeństwa spadku twardości. Prowadzi to do wytwarzania warstw bardzo cienkich i adhezyjnie związanych z podłożem.

Zastosowanie:

- pokrywanie narzędzi ze stali wysokostopowych

- pokrywanie precyzyjnych części maszyn

Wyżarzanie

Proces ten obejmuje wiele zabiegów, celem których jest zbliżenie struktury materiału do stanu równowagi lub przygotowanie materiału do dalszych procesów technologicznych. Temperatura nagrzewania waha się w zakresie 1250-400C. Przemiany zachodzące to: perlit→austenit i ferryt→austenit. Wyżarzanie można podzielić na dwie grupy:

1.wyżarzanie, gdzie przemiany fazowe nie mają wpływu na końcową strukturę: ujednorodniające, rekrystalizujące, odprężające

2.wyżarzanie, gdzie przemiany fazowe mają zasadniczy wpływ na końcową strukturę: normalizujące, zupełne, niezupełne, izotermiczne, sferoidyzujące

a) Wyżarzanie ujednorodniające

Polega na nagrzaniu stali do temperatury znacznie powyżej GSE, 100-200C poniżej solidusu, wygrzaniu w tej temperaturze i następnie studzeniu. Praktycznie stosowane temperatury to 1050-1200C. Podstawowym celem tego zabiegu jest zmniejszenie niejednorodności składu chemicznego. W czasie wygrzewania pierwiastki, które są nierównomiernie rozłożone w stali (węgiel, składniki stopowe), ulegają dyfuzji z miejsc bogatszych do uboższych, co wyrównuje skład chemiczny stali.

b) Wyżarzanie rekrystalizujące

Zachodzi podczas nagrzewania metalu po odkształceniu na zimno, usuwa skutki zgniotu i przywraca pierwotne własności materiału.

Temperatura rekrystalizacji: Tr = (0,35-0,6)Tt

gdzie Tt - temperatura topnienia

Poniżej temperatury rekrystalizacji umocnienie metalu zachowuje się w materiale, natomiast powyżej metal nie umacnia się, ponieważ z umocnieniem przebiega rekrystalizacja. Temperatura rekrystalizacji stanowi granicę między obróbką plastyczną na zimno i na gorąco.

c) Wyżarzanie odprężające

Celem jego jest usunięcie naprężeń prawie bez wprowadzenia zmian strukturalnych w odlewach, spoinach, w materiałach zgniecionych oraz hartowanych. Polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatury poniżej Ac1= 723C, wygrzaniu w niej i następnie powolnym chłodzeniu. Stosuje się różne temperatury i czasy wygrzewania, które zależą od rodzaju materiału oraz od przyczyn wywołujących naprężenia.

d) Wyżarzanie normalizujące

Polega na nagrzaniu stali do temperatury 30-50C powyżej Ac3 i Acm, wygrzaniu w tej temperaturze oraz studzeniu w spokojnym powietrzu. Celem tego procesu jest uzyskanie jednolitej, drobnoziarnistej struktury.
Korzystną strukturę drobnoziarnistą uzyskuje się dzięki stosunkowo krótkim czasom wygrzewania i dość szybkiemu chłodzeniu w spokojnym powietrzu. Proces ten polepsza własności wytrzymałościowe stali. Procesowi temu poddaje się stale węglowe konstrukcyjne i staliwo. Normalizowanie zmniejsza również pasmowość struktury oraz usuwa przypadkową strukturę hartowania lub zgniot.

e) Wyżarzanie zupełne

Polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatury 30-50C powyżej GSE, wygrzaniu w tej temperaturze i następnie powolnym studzeniu w zakresie temperatur krytycznych między GSE i PSK. Studzenie to odbywa się z piecem, dalsze studzenie może się odbywać w wolnym powietrzu. Procesowi temu poddaje się stale stopowe. Struktura po tym procesie jest najbardziej zbliżona do stanu równowagi. Zapewnia to dobrą plastyczność, małą twardość oraz polepsza obrabialność stali.

f) Wyżarzanie niezupełne

Polega na nagrzaniu stali do temperatury pomiędzy Ac1 a Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym chłodzeniu w wolnym powietrzu. Jest ono rzadko stosowane jako obróbka cieplna. W procesie tym część ferrytu przemienia się w austenit, reszta pozostaje nie przemieniona. W czasie wygrzewania równowaga między ferrytem a austenitem pozostaje nie naruszona. Przy chłodzeniu do temperatury Ac1 austenit ponownie przemienia się w ferryt.

g) Wyżarzanie izotermiczne

Polega na nagrzaniu przedmiotu do temperatury 30-50C powyżej GSE, wygrzaniu w tej temperaturze i szybkim chłodzeniu do temperatury nieco poniżej Ac1, a następnie w tej temperaturze wytrzymuje się aż do zakończenia przemiany perlitycznej, po czym chłodzi się w powietrzu. Do wygrzania stali używa się kąpieli solnych lub pieców muflowych. Wyżarzanie izotermiczne ma szczególne znaczenie w obróbce stali stopowych, które po tym procesie nie wykazują zmniejszenia twardości.

h) Wyżarzanie sferoidyzujące

Jest to zabieg cieplny, który polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu, a następnie studzeniu. Czas wygrzewania wynosi od kilku do kilkudziesięciu godzin. W zakresie przemiany studzenie powinno się odbywać bardzo powoli. Proces ten ma na celu uzyskanie cementytu ziarnistego w ferrytycznej osnowie. Jest to struktura charakteryzująca się najmniejszą twardością, zapewniającą optymalną podatność do odkształceń plastycznych. Cementyt występuje w postaci sferoidalnej w osnowie miękkiego ferrytu.

Hartowanie

Jest to zabieg cieplny, polegający na nagrzaniu przedmiotu do temperatury austenituzowania, wygrzaniu oraz szybkim studzeniu by uzyskać strukturę martenzytyczną lub bainityczną.

a) Hartowanie ciągłe (zwykłe)

Polega na nagrzaniu stali do temperatury 30-50C powyżej Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze i bezpośrednim chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej. Szybkość chłodzenia zależy od: ciepła właściwego i przewodności cieplnej stali, rodzaju środka chłodzącego oraz kształtu i wielkości przedmiotów. W temperaturze 700-450C chłodzenie powinno być bardzo szybkie, ponieważ austenit jest najmniej trwały. W temperaturze powyżej i poniżej tego zakresu chłodzenie może być wolniejsze, ponieważ austenit znajduje się dłużej w stanie przechłodzonym. Pomiędzy Ms i Mf chłodzenie powinno być wolne, by uniknąć naprężeń strukturalnych. Stale węglowe hartuje się w wodzie, a stale stopowe w oleju.

b) Hartowanie stopniowe

Jest to zabieg cieplny polegający na nagrzaniu stali powyżej temperatury Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze, wytrzymaniu w kąpieli solnej o temperaturze nieznacznie wyższej od Ms oraz chłodzeniu w powietrzu. Podczas hartowania tworzą się naprężenia cieplne, które zmniejsza się przytrzymaniem przedmiotów w kąpieli. Hartowanie stopniowe zmniejsza: naprężenia strukturalne, odkształcenia i nie dopuszcza do powstania pęknięć w przedmiocie. Jest stosowane w obróbce cieplnej przedmiotów: o małych przekrojach, ze stali węglowych lub niskostopowych oraz o skomplikowanym kształcie.

c) Hartowanie z przemianą izotermiczną

Jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu przedmiotu do temperatury wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze, oziębieniu w kąpieli o temperaturze wyższej od Ms, wytrzymaniu w tej kąpieli do zakończenia przemiany bainitycznej oraz chłodzeniu do temperatury otoczenia. Po tym procesie uzyskuje się strukturę bainityczną. Cechy: zmniejszenie naprężeń cieplnych, strukturalnych oraz zmniejszenie możliwości powstawania pęknięć i deformacji. Tym sposobem hartuje się: części o małych przekrojach oraz o większych przekrojach, których zakres trwałości austenitu jest duży.

d) Hartowanie powierzchniowe

Celem tego procesu jest otrzymanie twardej i odpornej na ścieranie warstwy powierzchniowej i zachowanie własności rdzenia. Polega ono na nagrzaniu warstwy zewnętrznej przedmiotu do temperatury o 50C wyższej od temperatury hartowania danej stali oraz chłodzeniu tej warstwy z szybkością większą od krytycznej. Powierzchniowo hartuje się stale węglowe lub stale niskostopowe. Rozróżnia się hartowanie powierzchniowe płomieniowe i indukcyjne.

1.Hartowanie powierzchniowe metodą płomieniową

Polega na nagrzaniu powierzchni stalowego przedmiotu do właściwej temperatury, za pomocą płomienia uzyskanego przez spalanie gazów oraz szybkim chłodzeniu natryskiem wodnym. Gazy te to: acetylen, gaz świetlny, gaz generatorowy wodny. Na hartowanie płomieniowe mają wpływ: długość płomienia, prędkość przesuwania płomienia lub przedmiotu, odległość palnika od przedmiotu, odległość natrysku wodnego od płomienia,
czas między grzaniem a chłodzeniem powierzchni, ilość użytego środka chłodzącego. Grubość warstwy zahartowanej wynosi 1-5mm.

2.Hartowanie indukcyjne

Polega na bardzo szybkim powierzchniowym nagrzaniu stali znacznie powyżej temperatury przemiany za pomocą szybkozmiennych prądów wzbudzenia oraz oziębieniu natryskiem wodnym. Induktor służy do wzbudzenia prądów, w nim płynie prąd wielkiej częstotliwości (100-1000kHz). Grubość warstwy hartowanej wynosi 1-3mm. Zalety: możliwość grzania do żądanej głębokości i na wybranym obszarze, bardzo duża wydajność procesu, uniknięcie odkształceń przedmiotów i utworzenia się zgorzeliny, możliwość całkowitego zautomatyzowania procesu. Wady: duże koszty inwestycyjne urządzeń.

Hartowność Jest to podatność stali do utwardzania się w głąb przekroju pod wpływem hartowania. Średnica krytyczna jest to największa średnica pręta hartującego się jeszcze na wskroś tzn. w strukturze rdzenia znajduje się co najmniej 50% martenzytu oraz 50% produktów rozpadu austenitu w wyższych temperaturach. Współczynnik intensywności hartowania charakteryzuje zdolność materiału do odprowadzania ciepła. Przekrój miarodajny jest to największy przekrój kołowy, którego struktura wykazuje jednakowe własności.

Przekrój równoważny jest to przekrój kołowy, którego środek hartuje się identycznie jak przekrój zastępczy. Czynniki wpływające na hartowność stali: skład chemiczny stali, wielkość ziarna austenitu, intensywność chłodzenia ośrodka oziębiającego, niejednorodność austenitu.

Odpuszczanie

Polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury poniżej Ac1, wytrzymanu w niej oraz chłodzeniu do temperatury otoczenia. Rozróżnia się odpuszczanie w zakresie temperatur niskich, średnich i wysokich.

1.Odpuszcznie niskie (250-275C)

Celem jest usunięcie naprężeń hartowniczych przy zachowaniu dużej twardości i odporności na ścieranie.

Stosuje się do: narzędzi, sprężyn spiralnych i sprawdzianów.

2.Odpuszczanie średnie (275-450C)

Celem jest uzyskanie dużej wytrzymałości i sprężystości, twardość zmniejsza się w dużym stopniu.

Stosuje się do: sprężyn, matryc, resorów i części mechanizmów.

3.Odpuszczanie wysokie (450-650C)

Celem jest uzyskanie najwyższej możliwej udarności dla danej stali.

Ulepszanie. Hartowanie i wysokie odpuszczanie stanowią łącznie tzw. ulepszanie cieplne

Przesycanie

Polega na nagrzaniu stopów do temperatury powyżej granicznej rozpuszczalności w celu przeprowadzenia wydzielonego składnika do roztworu stałego (bez przemiany alotropowej), wygrzaniu oraz chłodzeniu dla zatrzymania rozpuszczonego składnika w roztworze. Po procesie tym nieznacznie zmniejszają się własności mechaniczne (H,Rm), natomiast plastyczne się zwiększają (jednofazowy stop). Przesycanie zwane jest również utwardzaniem dyspersyjnym. Stosowane jest do stopów metali nieżelaznych, stali o strukturze austenitycznej. Temperatura tego procesu wynosi ok. 1000C, chłodzenie odbywa się w wodzie. Celem jest uzyskanie jednorodnej struktury austenitycznej przez przejście węglików do roztworu stałego.

Starzenie

Polega na nagrzaniu przesyconego stopu do temperatury znacznie niższej od linii granicznej rozpuszczalności, przetrzymaniu w tej temperaturze oraz chłodzeniu. Podczas tego procesu zachodzą zmiany strukturalne, które zbliżają skład stopu do stanu równowagi. Starzenie samorzutne jest to starzenie stopów, które rozpoczyna się już w temperaturze otoczenia. Starzeniu poddaje się stale austenityczne. Zgniot przyspiesza starzenie, ponieważ powoduje zwiększenie gęstości dyslokacji co ułatwia dyfuzję.

Martenzytyczna - jest to przemiana bez dyfuzyjna, zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury Ms początku tej przemiany przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej Vk . Przemiana ta zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury od Ms do Mf . Przemiana ta rozpoczyna się od utworzenia tzw. embrionu. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt czyli przesycony roztwór węgla z żelazie α. Martenzyt dzielimy na listwowy i płytkowy. Przemiana martenzytyczna może przebiegać termicznie, wybuchowo lub izotermicznie.

Bainityczna - przemiana ta łączy w sobie cechy przemiany bez dyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi prze przechłodzeniu austenitu do temperatury z zakresu 450-200°C. Zarodkowanie bainityczne rozpoczyna dyfuzyjne przemieszczanie węgla do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel. Zainicjowanie przemiany wymaga pewnego czasu inkubacji. W wyniku przemiany powstaje bainit czyli mieszanina ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Rozróżniamy bainit górny i dolny.

Perlityczna - jest to przemiana dyfuzyjna. Zachodzi przy schłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temperatury Ar1 .Jest to przemiana dyfuzyjna związana z przegrupowaniem atomów węgla i zachodząca przez zarodkowanie i wzrost zarodków. W wyniku tej przemiany powstaje perlit czyli mieszanina eutektoidalna płytek ferrytu i cementytu.

Naprężenia cieplne. Mechanizm tworzenia się naprężeń cieplnych można rozpatrzyć na przykładzie wałka stalowego o średnicy 100 mm. Na rysunku 4.81 przedstawiono krzywe chłodzenia odpowiadające powierzchni P i rdzeniowi R wałka. W miarę upływu czasu chłodzenia zwiększa się gradient temperatury między powierzchnią a rdzeniem wałka, co decyduje o wzroście naprężeń własnych w warstwie przypowierzchniowej (krzywa a), niższych w przypadku odkształcenia plastycznego zachodzącego w podwyższonej temperaturze (krzywa b). Przyczyną wzrostu naprężeń rozciągających w warstwie przypowierzchniowej jest kurczenie się powierzchni bardziej ochłodzonej i oddziaływanie na nią przez rozszerzony rdzeń o znacznie wyższej temperaturze, w którym występują naprężenia ściskające (krzywa c). Po ochłodzeniu do temperatury niższej od temperatury U w warstwie przypowierzchniowej występują naprężenia ściskające, natomiast w rdzeniu - rozciągające.

Naprężenia strukturalne. Przyczyną naprężeń strukturalnych w stali jest przemiana γ → α. Martenzyt wykazuje bowiem największą objętość właściwą, natomiast austenit - najmniejszą. Różnica objętości wynosi 1÷1,5% i jest większa niż w przypadku zmian objętości powodowanych gradientem temperatury. Przemiana martenzytyczna przebiega najszybciej na powierzchni, powodując zwiększenie objętości warstwy powierzchniowej. Rdzeń, chłodzony wolniej, w którym przemiana martenzytyczna przebiega później, ulega rozciąganiu, powodując ściskanie w warstwie powierzchniowej. Przebieg przemiany martenzytycznej w rdzeniu powoduje z kolei rozciąganie warstwy zewnętrznej, zahartowanej wcześniej, i ściskanie rdzenia. Po ochłodzeniu materiału naprężenia cieplne i strukturalne nakładają się. Gdy naprężenia wypadkowe okażą się większe od wytrzymałości stali, następuje pęknięcie hartownicze. Naprężenia własne mogą też zsumować się z naprężeniami zewnętrznymi, powodując zniszczenie metalu w wyniku przekroczenia wytrzymałości.

Pęknięcia powstają w wyniku hartowania wtedy, gdy naprężenia rozciągające

pierwszego rodzaju są większe od wytrzymałości. Pęknięcia hartownicze powstają

w temperaturze niższej od Ms, głównie w czasie chłodzenia. Skłonność do pęknięć

zwiększa się wraz ze wzrostem stężenia węgla w stali, podwyższeniem temperatury

hartowania i zwiększeniem szybkości chłodzenia w zakresie między temperaturami

początku i końca przemiany martenzytycznej. Przyczyną pęknięć hartowniczych

może być również występowanie karbów, gwałtownej zmiany przekroju lub

miejscowych zagłębień i występów.

Pęknięcia należą do wad obróbki cieplnej, które nie mogą być usunięte. Przeciwdziałanie

tworzeniu się tych wad polega na unikaniu karbów, hartowaniu z możliwie

najniższej temperatury, łagodnym chłodzeniu w zakresie między temperaturami

początku i końca przemiany martenzytycznej.

Do podstawowych przyczyn powstawania wad hartowniczych należą:

nieprawidłowe przygotowanie przedmiotów obrabianych cieplnie przez pozostawienie

powierzchni skorodowanych, zaolejonych lub zamalowanych, co

sprzyja tworzeniu miękkich plam o niskiej twardości,

nieprawidłowy załadunek i rozmieszczenie przedmiotów w piecu, co w wyniku

nierównomiernego nagrzewania powoduje krzywienie,

nagrzewanie ze zbyt dużą szybkością bez wstępnego podgrzewania, co powoduje

wypaczanie i pęknięcia, zbyt niska temperatura lub za krótki czas nagrzewania, co uniemożliwia otrzymanie struktury martenzytycznej i powoduje zbyt niską twardość zahartowanej stali, zbyt wysoka temperatura lub za długi czas nagrzewania, co jest przyczyną nadtopień lub przegrzania stali, brak atmosfery ochronnej, co wywołuje utlenianie i odwęglanie powierzchni stali, a w konsekwencji - pogorszenie własności mechanicznych elementów po hartowaniu oraz zmniejszenie twardości warstwy powierzchniowej, zbyt duża szybkość chłodzenia i nieprawidłowe zanurzanie przedmiotu do kąpieli chłodzącej, co jest przyczyną pęknięć, wypaczeń i wykrzywień, zbyt mała szybkość chłodzenia lub mała ilość ośrodka chłodzącego, co nie zapewnia uzyskania struktury martenzytycznej i powoduje otrzymanie niskich własności wytrzymałościowych po hartowaniu.

Pomiary twardości.

Najczęściej stosowanymi i zalecanymi metodami pomiaru twardości są:

* metoda Brinella

* metoda Grodzińskiego

* metoda Knoopa

* metoda Rockwella

* metoda Vickersa

* metoda Colmana Barcola

* metoda Leeba (metoda dynamiczna)

* metoda sklerometryczna

* metoda TVI

* metoda UCI, udarnościowa, Webstera

Metoda Brinella Jest to jedna z najstarszych metod pomiaru twardości. W metodzie tej jako wgłębnika uŜywa się kulki wykonanej z węglika wolframu. Wgłębnik jest wciskany w powierzchnię badanej próbki, a następnie mierzy się średnicę odcisku powstałego na powierzchni po usunięciu siły obciąŜającej. Miarą twardości jest więc stosunek siły obciąŜającej wyraŜonej w N do powierzchni utworzonego wgłębienia (czaszy) w milimetrach, pomnoŜony przez stałą =0,102 (stała = 0,102 ≈ 1/9,80665,
gdzie 9,80665 jest współczynnikiem przeliczeniowym z KG na N). W starszych opracowaniach obciąŜenie podawano w jednostkach KG (1KG = 9,80665 N).

Metoda Rockwella. Metoda Rockwella zasadniczo róŜni się od metod Brinella i Vickersa, gdyŜ do określenia miary twardości wykorzystuje się głębokość odcisku, a nie jego powierzchnię. Istotną zaletą tej metody jest to, Ŝe miarę twardości odczytuje się bezpośrednio z przyrządu bez potrzeby pomiaru wielkości odcisku za pomocą mikroskopu i dodatkowych przeliczeń (lub korzystania z tablic). Wgłębnikami w tej metodzie są kulki stalowe lub z węglików spiekanych o śre-dnicach 1,5875 mm lub 3,175 mm albo stoŜek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120o. Stosowane obciąŜenia to: 588,4; 980,7; 1471 N (60, 100, 150 KG). Metoda Rockwella posługuje się kilkunastoma skalami, zaleŜnymi od wyboru wgłębnika i obciąŜenia. KaŜda skala jest oznaczona literą alfabetu, którą naleŜy podawać przy oznaczeniu twardości, np. HRB, HRC itp. Najczęściej stosowanymi skalami są B i C dla metali i R dla tworzyw

sztucznych. Istotą metody jest stosowanie obciąŜenia w dwóch etapach: najpierw przykłada się obciąŜenie wstępne 98,07 N, a następnie obciąŜenie dodatkowe, takie, aby całkowite obciąŜenie wynosiło 588,4; 980,7; 1471 N. Miarą twardości jest róŜnica w głębokościach odcisków wywołanych przez całkowite (wstępne + dodatkowe) i wstępne obciąŜenie odczytywana po odjęciu dodatkowego obciąŜenia. Celem wstępnego obciąŜenia jest eliminacja błędów, które mogłyby być spowodowane chropowatością powierzchni.

6

---