Wykres układu równowagi fazowej

1. Przedstawia budowę fazową stopów w zależności od temperatury i składu chemicznego

2. Skład chemiczny w % wagowych (dla celów technicznych) lub atomowych (dla celów naukowych)

3. Umożliwiają ustalenie warunków krzepnięcia przemian fazowych dla wybranego stopu oraz budowy fazowej w wybranej temperaturze.

4. Wszystkie możliwe stopy utworzone przez 2 określone pierwiastki- dwuskładnikowy układ stopów

5. Trwałość budowy w stanie równowagi termodynamicznej

6. Budowa metastabilna(odbiegająca od stanu równowag)- możliwa do uzyskania w wyniku procesów technologicznych

Stopy układu równowagi fazowej def

Faza-część układu jednorodna pod względem chemicznym i krystalograficznym, oddzielona od reszty układu powierzchnią rozdziału-granicą międzyfazową

Układ- zbiór faz w równowadze termodynamicznej

Składniki-substancje proste lub złożone nie ulegające przemianom, z których składają się fazy układu

Równowaga fazowa-w określonych warunkach stosunki ilościowe między fazami układu są stałe

Reguła faz Gibbsa

liczba stopni swobody układu-liczba zewnętrznych i wewnętrznych czynników.(temperatura, ciśnienie, skład), które można zmieniać w pewnym zakresie nie powodując zmiany liczby faz w danym układzie

s=0;układ jest niezmienny-bez naruszenia równowagi między fazami nie można zmieniać ani temperatury, ani stężenia żadnej fazy.

S=1;układ jednoimienny-bez naruszania można w pewnym zakresie zmieniać albo temperaturę albo stężenie jednej fazy

S=2; układ jest dwu zmienny -bez naruszania równowagi można w pewnym zakresie zmieniać albo temperaturę i skład jednej fazy, albo przy stałej temp. Skład obu faz

Pojawienie się w układzie nowej fazy zmniejsza o jedność jego liczbę stopni swobody i odwrotnie

Układ z fazami międzymetalicznymi

Fazy międzymetaliczne tworzą się:

1. Z roztworu ciekłego(topią się bez uprzedniego rozkładu).

2. W trakcie krystalizacji stopu- topią się po uprzednim rozkładzie.

3. Z fazy stałej- zanikają przed stopieniem

Czyste żelazo- z punktu widzenia współczesnych potrzeb konstrukcyjnych ma zbyt niskie właściwości wytrzymałościowe, np. żelazo elektrolityczne posiada Rm=250 MPa, Re=140MPa, twardość 75HB, ma natomiast wysokie wartości wskaźników plastycznych- A10=50% Z=80% i udarność 250J/cm2

Z przytoczonych wartości wynika, że czyste żelazo nie jest atrakcyjnym materiałem konstrukcyjnym zdolnym do przenoszenia dużych obciążeń dlatego od dawna na bazie żelaza sporządza się stopy, których głównym składnikiem jest węgiel

Ferryt jest międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie Fe Atomy węgla zajmują luki międzywęzłowe w sieci RPC (A2) Ferryt  (niskotemperaturowy) jest fazą bardzo miękką, plastyczną o małej wytrzymałości na rozciąganie.

Austenit jest międzywęzłowym roztworem węgla w Feγ, w sieci RSC (A1) w punkcie „s” austenit jest nietrwały i ulega eutektoidalnemu rozpadowi na 2 fazy stałe ferryt i cementyt Austenit w porównaniu z ferrytem jest fazą twardszą i bardziej wytrzymała na rozciąganie, a przy tym podatną na odkształcenia plastyczne

Cementyt, węglik żelaza jest fazą międzymetaliczną o strukturze złożonej, krystalizuje w układzie rombowym. Wykazuje on pewne cechy metaliczne jak przewodnictwo elektryczne i słaby ferromagnetyzm (punkt Curie wynosi 210C) Z uwagi na skomplikowana budowę krystaliczną cementyt jest fazą twardą(ok. 65. HRC) i kruchą. Występuje w mikrostrukturze stopów układu Fe-Fe3C powoduje wzrost ich właściwości wytrzymałościowych. Na wzrost tych właściwości wpływa nie tylko jego udział ale również stopień rozdrobnienia (dyspersji) i kształt ziarna. Wyróżniamy:

1. Cementyt pierwszorzędowy (pierwotny), wydzielający się z roztworu ciekłego w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w roztworzę wzdłuż linii CD

2. Cementyt drugorzędowy (wtórny) wydzielający się z austenitu w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w austenicie, wzdłuż linii ES

3. Cementyt trzeciorzędowy wydzielający się z ferrytu w wyniku zmniejszającej się rozpuszczalności węgla w ferrycie, wzdłuż linii PQ

Perlit jest mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu drugorzędowego tworząca się w temperaturze 723C w wyniku rozkładu austenitu o zawartości 0,77%węgla.Znaczny udział w perlicie cementytu (ok12%) powoduje, że posiada on dobra wytrzymałość Rm, twardość HB, odporność na ścieranie, obrabialność, przy czym zachowuje pewne właściwości plastyczne.

Ledeburyt- mieszanina eutektyczna austenitu i cementytu, zawierająca 4,3%C, powstająca w wyniku rozpadu L w 1147C

Ledeburyt przemieniony- mieszanina perlitu i cementytu, powstająca w wyniku rozpadu austenitu w ledeburycie na perlit w 727C

Klasyfikacja żeliwa szarego niestopowego

Żeliwo szare niestopowe (węglowe )można podzielić na 4 grupy

1. Żeliwo szare zwykłe

2. Żeliwo modyfikowane

3. Żeliwo sferoidalne

4. Żeliwo ciągliwe

Żeliwo szare zwykłe-struktura grafit płatkowy w osnowie:

1. Ferrytycznej

2. Ferrytyczno-perlitycznej

3. Perlitycznej

Oraz eutektyka fosforowa (steadyt)

Charakterystyka

1. Niska wytrzymałość-zależna od osnowy

2. Dobra skrawalność

3. Niska odporność na zużycie ścierne

4. Twardość zależne od osnowy

5. Duża zdolność tłumienia drgań]

Wytrzymałośc żeliwa perlitycznego wynosi ok. 350-450MPa przy twardości ok. 200-250HB

Przykłady zastosowania: korpusy i loża średnio obciążone, odlewy cienkościenne o ściankach o zróżnicowanej grubości

Żeliwo modyfikowane

Modyfikacja-dodanie do ciekłego stopu przed odlaniem modyfikatora, np. żelazo-krzemu, wapno-krzemu lub aluminium w celu odtlenienia i wymuszenia heterogenicznego zarodkowania grafitu

Efekt:

1. Powstanie bardzo drobnych równomiernie rozłożonych płatków grafitu

2. Wzrost własności wytrzymałościowych do ok. 300-400MPa (żeliwo modyfikowane w osnowie perlitycznej)

3. Zmniejszenie tendencji do krzepnięcia jako białe lub połowiczne

Przykłady zastosowania: korpusy i loża ciężkich obrabiarek, odlewy dla hydrauliki o wymaganej szczelności

Żeliwo Sferoidalne

Modyfikacja na ciekłym stopi magnezem lub cerem pododuje kuliste(sferoidalne) wydzielenia grafitu.

Osnowa:

1. Ferrytyczna

2. Ferrytyczno0perlityczna

3. Perlityczna

4. Bainityczna

5. martenzytyczna

4i 5 po obróbce cieplnej

Zastosowanie: wały korbowe koła zębate walce

Żeliwo ciągliwe:

Otrzymywanie żeliwa białego w wyniku wyżarzenia grafityzującego. Następuje rozpad cementytu i wydzielenie grafitu w postaci tzw. węgla żarzenia.

Fe3C=3Fe+C

Rodzaje żeliwa ciągliwe:

1. białe- odwęglone

2. czarne-nieodwęglone

Żeliwo ciągliwe czarne

Metoda otrzymywania:

Wyżarzanie I

1. temp. 900-1500C

2. atmosfera obojętna

3. czas 15h

Wyżarzanie II

1. temp. 750C

2. atmosfera obojętna

3. czas 40-70h

4. chłodzenie w powietrzu

struktura: ferryt (perlit)+ węgiel żarzenia

zalety żeliwa ciągliwego czarnego:

1. łatwość odlewania części nawet o skomplikowanych kształtach

2. dobra odporność na ścieranie

3. dostateczne cechy wytrzymałościowe

4. wysoka plastyczność i odporność na uderzenia

5. łatwa obrabialność

6. dostateczna odporność korozyjna

Żeliwo ciągliwe białe

Metoda otrzymywania:

Wyżarzanie:

1. temp 1000-1050C

2. atmosfera utleniająca-odwęglająca

3. czas 60-90h

4. grubość warstwy odwęglonej 5-8mm

5. chłodzenie w powietrzu

Struktura powierzchni- ferryt+(ferryt+ perlit)+perlit+ węgiel żarzenia

Cechy:

1. różne twardości na przekroju (od 140-200HB).

2. Dla drobnych elementów-grubszych(powyżej 20mm) nie da się uplastycznić tą metodą

Obróbka cieplna stali

OC jest to zespól zabiegów cieplnych prowadzących do zmiany właściwości stali poprzez zmiany struktury w stanie stałym.

OC jest to zespół zabiegów wywołujących polepszenie właściwości mechanicznych i fizykochemicznych metali i stopów na drodze zmian struktury w stanie stałym wywołanych zmianami temperatury w czasie oraz działaniem ośrodka obróbkowego

Podstawowe parametry to: v- nagrzewania; T i t -wygrzewania; v-chłodzenia

Wyróżniamy następujące rodzaje obróbki cieplnej:

1. Obróbkę cieplną zwykła

2. Obróbkę cieplno-chemiczną

3. Obróbkę cieplno mechaniczną

Właściwości mechaniczne stali zależą od szybkości chłodzenia

1. Właściwości mechaniczne stopów z układu Fe-Fe3C silnie zależą od szybkości ich chłodzenia i co z tym związane przemian fazowych jakie wówczas zachodzą

2. Jeżeli nagrzejemy stal do temp. Istnienia jednorodnego austenitu to możemy wpływać na strukturę materiału stosując różne szybkości chłodzenia

3. Wpływ szybkości chłodzenia na strukturę stali przedstawiony może być na wykresach CTPc oraz CTPi

Przemiana perlityczna-cechy charakterystyczne:

1. Przemiana perlityczna jest przemiana dyfuzyjną

2. W jej wyniku powstaje perlit- mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu o budowie płytkowej

3. Zachodzi przez zarodkowanie i rozrost zarodków

4. Zarodkowanie jest uprzywilejowane na cząstkach ferrytu lub cementytu

5. Przebiega poprzez wzrost płytek oraz wzrost czołowy

6. Zachodzi do całkowitego wyczerpania austenitu

7. Zarodki powstają na granicach ziarn A(0,77%C)

8. Fazą kierującą może być Fe3C jak i F

9. Krawędzie płytek wrastają jednakowym frontem jako niekoherentne płaszczyzny (granice) w metastabilny A

10. Nie ma wzajemnego ukierunkowania pomiędzy A, a tworzącą się mieszaniną faz Fe3C i F

11. SZ zwiększa się z Tp poniżej A1 osiągając max. Dla temp. ~ 550C po czym zmniejsza się

12. Szybkość rozrostu zarodków jest w stałej temp.

13. P składa się z naprzemiennie ułożonych płytek Fe3C i F

14. Odległośc między płytkami P zmniejsza się ze wzrostem Tp, co powoduje wzrost Rm i HB:

Rm=140+46,4s^-1 gdzie s-grubość płytki (m)

P utworzony w temp. 700C =s=1mm,

P utworzony w temp. 600C=s=0,1mm nosi nazwę troostytu(s<0,2mm)

Przemiana martenzytyczna cechy:

1. Następuje zmiana sieci krystalograficznej przy zachowaniu niezmiennego sasiedztwa atomów

2. Efektem przemiany jest powstanie przesyconego węglem ferrytu martenzytu

3. Naprężenia rozciągające ułatwiają przemianę

4. Zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temp. W zakresie M5 i M7

5. Nie zachodzi do końca, zawsze pozostaje pewna ilość austenitu tzw austenitu szczątkowego, którego przemiana została zahamowana przez rosnące naprężenia ściskające

6. Izotermiczne wytrzymywanie w temp. Poniżej Ms prowadzi do stabilizacji

7. Przemiana marteny tyczna jest przemianą bezdyfuzyjną

8. Przemiana martenzytyczna zachodzi z prędkością rozchodzenia się dźwięku w stali - 1000-7000 m/s

9. Pojedyncza igła martenzytu powstaje w czasie ok. 10-7s

10. Przemiana martenzytyczna postępuje przez tworzenie się nowych igieł martenzytu, a nie poprzez rozrost uprzednio powstałych

Przemiana bani tyczna cechy:

1. Jest przemianą pośrednią łączącą cechy przemiany dyfuzyjnej i bezdyfuzyjnej

2. Posiada pewien czas inkubacji, w którym zachodzą dyfuzyjne zmiany stężenia węgla w austenicie

3. Zarodkowanie rozpoczyna się w ubogich w C mikroobszarach austenitu, które przemieniają się w ferryt w wyniku przemiany martenzytycznej

4. W wyniku przemiany powstaje bainit-mieszanina ferrytu przesyconego węglem i węglików

5. Zarodkowanie bainitu przebiega dyfuzyjnie w miejscach ubogich w węgiel

6. W zależności od temperatury powstawania wyróżniamy 2 rodzaje bainitu różniące się morfologią: bainit dolny i górny

Wykresy

Wykresy CTP zawierają ilościowe dane dotyczące zależności struktury i własności stali od temperatury i czasu przemiany przechłodzonego austenitu

CTP- czas- temperatura- przemiana

W zależności od sposobu chłodzenia dla różnych gatunków stali są opracowywane wykresy:

CTPi - przy chłodzeniu izotermicznym

CTPc- an izotermicznie przy chłodzeniu ciągłym

Powyżej temperatury A1 rozpoczyna się przemiana P w A. Wzrost temperatury obróbki cieplnej powoduje rozrost ziarn austenitu.Głownym czynnikiem hamującym rozrost ziaren austenitu dyspersyjne cząstki obcych faz, np. stale odtleniane aluminium (cząstki Al2O3 i AIN) oraz stale stopowe z trudno rozpuszczalnymi węglikami i stale nadeutektoidalne.

Stale drobnoziarniste umożliwiają stosowanie szerszego zakresu temperatury austenityzowania podczas obróbki cieplnej oraz wyższej temperatury obróbki plastycznej na gorąco

Hartowanie stali

Polega na nagrzaniu stali do temp. Austenityzowania, krótkim wygrzaniu w tej temp. I oziębieniu z szybkością umożliwiającą uzyskanie struktury martenzytycznej lub bani tycznej.Podczas hartowania stali niestopowych oraz niskostopowych materiał nagrzewamy do temp. 30-50C powyżej linii GSK

Dla stali pod eutektoidalnej jest to temp. 30-50C powyżej Ac3

Dla stali nad eutektoidalnej jest to temp 30-50C powyżej linii Ac1

Stale wysokostopowe( nierdzewne, szybkotnące) nagrzewamy do temp. Znacznie wyższych (1100-1200C) w celu rozpuszczenia się w austenicie węglików i maxymalnego nasycenia roztworu stałego pierwiastkami stopowymi i węglem.

W procesach obróbki cieplnej wykorzystuje się następujące ośrodki chłodzące:

1. Woda oraz wodne roztwory soli,zasad i polimerów

2. Oleje hartownicze

3. Kąpiele solne i metaliczne

4. Ośrodki fluidyzowane

5. Powietrze i inne gazy np.:N2.Ar

Własności chłodzące poszczególnych ośrodków ulegają zmianom w zależności od temperatury oraz w wyniku ich ruchu (cyrkulacji)

Hartowanie zwykłe (ciągłe)

Polega na ciągłym podwyższaniu temp. Obrabianego elementu z prędkością większą od krytycznej w ośrodku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej.

Dobór ośrodka chłodzącego uzależniony jest od hartowanego materiału oraz rodzaju struktury, którą chcemy uzyskać po zakończeniu procesu

Stale węglowe chłodzimy najczęściej w wodzie lub roztworach soli, natomiast stale stopowe w oleju lub powietrzu

Hartowanie stopniowe

Polega na chłodzeniu stopniowo nagrzanego elementu kąpieli o temp. Wyższej od temp M i utrzymaniu w tej temp. Przez okres konieczny do wyrównania temp. Na powierzchni i w rdzeniu przedmiotu lecz nie dłuższej niż czas trwałości austenitu w tej temp i powolnym chłodzeniu do temp ostoczenia. Dzięki wyrównaniu temp. Na powierzchni i w rdzeniu materiału oraz powolnemu chłodzeniu po wytrzymaniu izotermicznym w przekroju elementu zanikają naprężenia termiczne oraz zmniejsza się skłonność do pękania i paczenia elementów. Jako kąpieli hartowniczych używa się najczęściej stopionych soli azotanów i azotynów sodu oraz soli potasu,które zapewniają szybki odbiór ciepła od ochładzanych elementów

Hartowanie izotermiczne(bani tyczne)

Przebiega podobnie jak hartowanie stopniowe tzn. po austenityzowaniu stal ochładza się w kąpieli o temp. Wyższej od M3, zwykle w zakresie 250-400C, wytrzymuje w tej temperaturze do czasu zakończenia przemiany bani tycznej i chłodzi w powietrzu. Uzyskana struktura bani tyczna posiada dużą twardość (40-50HRC) a zarazem większą ciągliwość i udarność niż struktura martenzytyczna.

Hartowanie objętościowe

Występuje wtedy, gdy austenityzowanie obejmuje cała objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubość zahartowanej warstwy zależy wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia.

Hartowanie powierzchniowe

Polega na szybkim nagrzaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu do temperatury hartowania a następnie szybkim chłodzeniuHartowanie powierzchniowe umożliwia ograniczenia nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie, nie wywołuje więc dużych naprężeń i odkształceń cieplnych.

Hartowanie powierzchniowe w zależności od sposobu nagrzewania dzieli się na: indukcyjne, płomieniowe, kąpielowe, wiązkowe(laserowe, elektronowe, jonowe)

Własności stali po zahartowaniu:

Stal po zahartowaniu zyskuje na:

1. Wytrzymałości

2. Twardości

3. Wzrasta jej Re,Rm i sprężystość

Maleje zaś:

1. Udarność(U)

2. Wydłużenie(A)

3. Przewężenie(z)

4. Obrabialność

Podczas hartowania stali powstają naprężenia własne 1-go, 2-go i 3-go rodzaju, równoważące się wewnątrz danego przedmiotu bez udziału naprężeń zewnętrznych

Naprężenia 1-go rodzaju zwane też naprężeniami cieplnymi powstają wskutek różnicy w szybkości ochłodzenia rdzenia i powierzchni przedmiotu hartowanego. Zasięg działania tych naprężeń jest porównywalny z wymiarami przedmiotu.

Naprężenia 2-go rodzaju tworzą się wskutek zachodzących przemian fazowych połączonych z dużymi zmianami objętościowymi, zasięg ich działania jest zbliżony do wielkości ziarna.

Naprężenia 3-go rodzaju są spowodowane naruszeniem prawidłowego rozmieszczenia stomów w strukturze krystalicznej i mają charakter lokalny.

Naprężenia 2-go i 3-go rodzaju nazywane są naprężeniami strukturalnymi lub makronaprężeniami

Hartowność stali- jest to zdolność do tworzenia struktury matenzytycznej. Właściwość ta jest ściśle związana z krytyczną szybkością chłodzenia stali; im większa jest wymagana szybkość chłodzenia tym hartowność mniejsza. Z pojęciem hartowności związane są:

1. Głębokość hartowania

2. Maksymalna twardość uzyskiwana na powierzchni

3. Skłonność do tworzenia rys i pęknięć harowniczych.

---