Metaloznawstwo i obróbka cieplna

1. Na czym polega różnica między pierwiastkiem chemicznym, nuklidem i izotopem?

Pierwiastek chemiczny to substancja, której nie da się chemicznymi sposobami rozłożyć na substancje prostsze. Wg teorii atomowej pierwiastki to substancje składające się z atomów o tej samej liczbie protonów w jądrze (tej samej liczbie atomowej).

Nuklid - w fizyce jądrowej jądro atomowe o określonej liczbie protonów i neutronów.

Izotopy - nazywa się tak atomy, z takimi nuklidami (jako jądra), które posiadają stałą liczbę protonów, a różnią się liczbą neutronów (stały ładunek i różne liczby masowe).

2. Jak zbudowany jest atom?

Atomy składają się z jądra (neutrony i protony) i otaczających to jądro elektronów. Większość masy to jądro, ponieważ protony i neutrony są około 2000 razy cięższe od elektronów.

3. Co opisują liczby kwantowe i jakie jest ich znaczenie przy określaniu stanu energetycznego elektronu?

Liczby kwantowe - parametry całkowite lub ułamkowe opisujące energię i inne własności układów kwantowych. Występują liczby takie jak:

n (główna liczba kwantowa -> n = 1, 2, 3, 4, 5, 6 lub 7, n >=1) - oznacza wartość energetyczną (nr orbity elektronu);

l (poboczna liczba kwantowa -> l = 0, 1, 2, 3, 4, 5 lub 6, l =< n - 1) - wartość bezwzględna orbitalnego momentu pędu;

m (magnetyczna l.k. -> -l =< m <= +l) - rzut orbitalnego momentu pędu na wybraną oś;

s (spinowa l.k. -> s = +/- 0,5) - określa spin, czyli własny moment pędu cząsteczki.

Elektron w polu jądrowym może zajmować tylko ściśle określone stany energetyczne związane z gęstościami chmur elektronowych. Stan ten charakteryzuje właśnie liczba kwantowa.

4. Według jakiej zasady sklasyfikowano pierwiastki chemiczne w układzie okresowym?

Pierwiastki są ułożone wg wzrastającej liczby atomowej. Układ podzielono na 16 grup (pionowo) i 7 okresów (poziomo). W każdym okresie pierwiastki mają taką samą liczbę n (opisuje stan energetyczny w atomach swobodnych). Pierwiastki z tej samej grupy mają podobna strukturę podpowłok elektronowych na ostatniej powłoce.

5. Na czym polega różnica między strukturami elektronowymi metali i niemetali?

Atomy metali zawierają 1 lub 2 elektrony walencyjne, które są łatwo oddawane w przypadku łączenia się z innymi atomami. Pierwiastki te są nazywane elektrododatnimi. Niemetale zaś, są elektroujemne, bo łatwo przyjmują elektrony innych atomów.

6. Czym różni się struktura elektronowa metali alkalicznych, ziem alkalicznych, przejściowych i ziem rzadkich?

Metale alkaliczne ( I A) i ziem alkalicznych (II A) - łatwo oddają 1-2 elektrony walencyjne w przypadku łączenia z innym atomem.

Metale przejściowe (III B - VIII B oraz I B - II B okresy 4-6) - dwie pierwsze powłoki są częściowo zapełniane elektronami dopóty, dopóki nie nastąpi ich całkowite zapełnienie. 3 i następne powłoki są zapełniane tak: najpierw podpowłoki s wyższej powłoki, a potem podpowłoki d. Elektrony z podpowłoki s wyższych powłok n mają większą energię.

Metale ziem rzadkich (lantanowce) - 6 okres, podpowłoka 4f jest zapełniana po wypełnieniu podpowłoki 6s i po wejściu jednego elektronu do podpowłoki 5d.

7. Jakie jest znaczenie elektronów walencyjnych w tworzeniu różnych typów wiązań między atomami?

Elektrony walencyjne są materią, która podlega wymianie lub uwspólnieniu podczas wiązań między atomami.

Wiązanie jonowe - e.w. jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom elektroujemny

Wiązanie kowalencyjne - e.w. różnych atomów tworzą pary elektronów należące wspólnie do jąder dwóch atomów.

Wiązanie metaliczne - e.w. przemieszczają się swobodnie pomiędzy rdzeniami atomowymi (jonami +), tworząc tzw. Gaz elektronowy, charakterystyczny dla tego wiązania.

Wiązanie wtórne lub siłami Van der Waalsa - występuje wtedy, gdy istnieje (zawsze istnieje) jedno z trzech wiązań w/w (pierwotnych). Siły Van der Waalsa występują między dipolami cząsteczek lub atomów.

Inne wiązanie opierające się na wiązaniach pierwotnych: między chwilowymi dipolami, siłami Londona, wodorowe.

8. Na czym polega różnica między materiałami krystalograficznymi a amorficznymi?

W materiałach krystalograficznych stan skupienia materii powoduje, że cząsteczki, atomy lub jony nie mają pełnej swobody przemieszczania się w objętości ciała, gdyż zajmują ściśle określone miejsca w sieci przestrzennej i mogą jedynie drgać w obrębie zajmowanych przez siebie miejsc. Kryształ, w odróżnieniu od ogólnie rozumianego ciała stałego, posiada symetrię translacyjną, która odróżnia go od ciał amorficznych.

W materiałach amorficznych nie występuje dalekosiężne uporządkowanie cząsteczek. Ciało będące w stanie amorficznym jest ciałem stałym (tzn. nie może płynąć), ale tworzące je cząsteczki są ułożone sposób dość chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczach.

9. Czym charakteryzują się kryształy metali?

Kryształ metalu charakteryzuje się tym, że atomy danego metalu są ułożone w stałym stanie skupieniu w siatce krystalicznej. Ich jedyny ruch może polegać na drganiach atomów. Nie mogą, zaś swobodnie się przemieszczać, ponieważ zajmują konkretne miejsce w siatce krystalicznej.

10. Jakie znasz elementy sieci przestrzennej kryształu?

a) płaszczyzny sieciowe

b) proste sieciowe, będące śladami przecięcia płaszczyzn sieciowych

c) węzły sieci, stanowiące punkty przecięcia prostych sieciowych; węzły sieci prymitywnej odpowiadają położeniu środków atomów kryształów.

11. Na czym polegają różnice i podobieństwa między sieciami: regularną płasko-centryczną, regularną przestrzennie-centryczną i heksagonalną zwartą?

Sieć RSC - regularna płasko - centryczna A1. Jej elementarną komórkę w kształcie sześcianu tworzy 14 rdzeni atomowych (8 w narożach, 6 w środku geometrycznym ścian bocznych sześcianu). Sieć ta jest najgęściej wypełniona rdzeniami atomowymi. Jej liczba koordynacyjna l_k określająca gęstość wypełnienia rdzeniami = 12. W sieci A1 między węzłami tworzą się luki.

Sieć RPC - regularna przestrzennie - centryczna A2. Elementarna komórka składa się z 9 rdzeni atomowych (8 w narożach i 1 w środku geometrycznym). W sieci A2 występują luki oktaedryczne i luki tetraedryczne.

Sieć HGU - heksagonalna zwarta - 3 elementarne komórki sieciowe SA złożone z 17 rdzeni atomowych (12 w narożach prostopadłościanu o podstawie sześciokąta foremnego, 2 w środku geometrycznym podstaw i 3 usytuowane symetrycznie we wnętrzu elementarnej komórki sieciowej. Luki oktaedryczne i tetraedryczne są identyczne jak w sieci A1.

12. Na czym polega alotropia metali?

Alotropia jest to zjawisko występowania jednego pierwiastka w różnych postaciach, w tym samym stanie skupienia ale różnej budowie sieci krystalograficznej.

Żelazo występuje w trzech odmianach alotropowych:

- żelazo α

- żelazo γ

- żelazo δ

Istnieją dwie odmiany krystalograficzne żelaza (polimorfizm):

- krystalizujące w układzie regularnym przestrzennie centrowanym (RPC)

- krystalizujące w układzie regularnym ściennie centrowanym (RSC)

Roztwór stały w Feα (ferryt) - sieć RPC - do 912^oC

Roztwór stały w Feγ (austenit) - sieć RSC - od 912^oC do 1394^oC.

Roztwór stały w Feδ (ferryt) - sieć RPC - od 1394^oC do 1538^oC

13.Co to jest faza stopowa? Wymień rodzaje faz występujących w stopach metali.

Faza to jednorodna część stopu , oddzielona od pozostałej jego części granicą międzyfazową. Poszczególne fazy stopu zwykle dość różnią się między sobą własnościami. Liczba, rodzaj i własności faz są uzależnione od składu chemicznego stopu. Zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej jest nazywany układem.

14. Jakie znasz roztwory stałe? Podaj czynniki warunkujące ich tworzenie.

Roztwory możemy podzielić na:

różnowęzłowe - tworzą się w wypadku zbliżonych promieni atomowych składników

międzywęzłowe - tworzą metale przejściowe z pierwiastkami niemetalicznymi o bardzo małych promieniach atomowych

...a także na

- ciągłe - o nieograniczonej rozpuszczalności składników)

- graniczne - o ograniczonej rozpuszczalności składników)

15. Jakie znasz podstawowe cechy faz między metalicznych? Według jakich kryteriów klasyfikuje się fazy międzymetaliczne?

Fazy międzymetaliczne - struktura i właściwości pośrednie między roztworem stały i związkiem chemicznym.

Cechy charakterystyczne:

• Struktura krystaliczna odmienna od struktury składników

• Uporządkowane rozmieszczenie atomów składników w sieci, stała proporcja atomów, np. Fe3C

• Wiązanie metaliczne

16. Jakie znacz podstawowe własności żelaza i jego odmian alotropowych?

Żelazo jest miękkim, srebrzystobiałym, kowalnym i ciągliwym metalem, odkrytym w starożytności. Gęstość 7,87 g/cm3, temperatura topnienia 1535°C.

Tworzy cztery odmiany alotropowe:

- 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).

Roztwór stały w Fe α i Fe δ nazywa się ferrytem. Roztwór stały γ nazywa się austenitem.

Jedynie żelazo α posiada własności ferromagnetyczne.

Żelazo stosowane jest w hutnictwie jako główny składnik stali, żeliwa i innych stopów; także pełni funkcję katalizatora (substytut platyny).

temperatura topnienia 1535oC

temperatura wrzenia 3000oC

gęstość (20oC, 1013,25hPa) 7,874g/cm3

17. Jakie znasz podstawowe składniki strukturalne występujące w układzie żelazo-węgiel?

- ferryt

- austenit

- cementyt (pierwotny, drugorzędowy, trzeciorzędowy)

- perlit

- ledeburyt

- ledeburyt przemieniony

18. Jak przebiegają przemiany podczas chłodzenia stopów żelaza z węglem zawierających: 0,12 0,4 0,7 1,5 2,5 4,3 5% C?

Wiązik ma w zeszycie napisane, że to jest tylko dla tych `lepszych', także tego nie będzie :)

19. Co to jest stal, staliwo?

Stal - jest to otrzymany w procesach stalowniczych przerobiony plastycznie stop żelaza z węglem (stężenie C od kilku setnych części procentu wagowego do 2,11%) i innymi pierwiastkami, które można podzielić na trzy grupy:

- domieszki metaliczne

- dodatki stopowe

- zanieczyszczenia

Staliwo - jest to stal w postaci lanej (czyli odlana w formy odlewnicze), nie poddana obróbce plastycznej, o zawartości węgla do 2,1%, nie zawierające eutektyki.

20. Jak sklasyfikowano stale i staliwa węglowe?

Stale możemy podzielić na:

a) niestopowe

- jakościowe

- specjalne

b) stopowe

- jakościowe

- specjalne

c) nierdzewne

- odporne na korozję

- żaroodporne

- żarowytrzymałe

21. Jak wpływa węgiel na strukturę i własności stali?

Wraz ze wzrostem zawartości węgla w stopie poprawiają się właściwości mechaniczne (R_m - wytrzymałość na rozciąganie, R_e - granica plastyczności, HB) a pogarszają się właściwości plastyczne (A - wydłużenie, Z - przewężenie)

W stalach podeutektoidalnych wraz ze wzrostem zawartości węgla udział ferrytu maleje, a perlitu wzrasta.. W stalach nadeutektoidalnch wraz ze wzrostem zawartości węgla, udział perlitu maleje, a cementytu wzrasta.

22. Czym charakteryzują się stale narzędziowe?

Od stali narzędziowych wymaga się przede wszystkim:

- dużej twardości (często powyżej 60 HRC)

- odporności na ścieranie,

- odporności na zginanie,

- odporności na cykliczne ściskanie,

- odporności powierzchni na zmęczenie kontaktowe,

- odporności na działanie karbu przy obciążeniach zmiennych,

- odporności na kruche pękanie,

W odniesieniu do stali pracujących w wysokiej temperaturze dodatkowo wymaga się takich właściwości jak:

- zachowania wymaganej twardości w temperaturze pracy narzędzia,

- odporności na zmianę wymiarów podczas pracy narzędzia,

- odporności powierzchni na utlenianie,

- dobra przewodność cieplna,

23. Co to jest żeliwo?

Jest to stop odlewniczy żelaza z węglem zawierający od 2,11% do 4% węgla w postaci cementytu (żeliwo białe) lub grafitu (żeliwo szare) oraz pierwiastkami których obecność wynika z procesu stalowniczego (Si, Mn, P, S)

24. Różnice między staliwem a żeliwem.

Staliwo	Żeliwo
- zawartość węgla do 2,1 %	- zawartość węgla od 2,1% do 4%
- zawiera eutektykę	- nie zawiera eutektyki
- duży skurcz odlewniczy	- mały skurcz odlewniczy
- mała lejność	- dobra lejność

- staliwo ma znacznie lepsze właściwości mechaniczne od żeliw, mają lepszą ciągliwość i udarność

- żeliwo jest bardziej odporne na korozję

25. Składniki strukturalne w żeliwach.

Strukturę żeliwa szarego stanowi osnowa metaliczna którą może być ferryt, perlit lub ich mieszaniny ewentualnie z cementytem i wtrąceniami niemetalicznymi a także grafit o różnej wielkości i różnym kształcie

Struktura żeliwa białego jest analogiczna do żeliwa szarego z tym , że zamiast grafitu występuje cementyt.

26. Jakie przemiany fazowe zachodzą w stali podczas nagrzewania i wygrzewania stali w temperaturze austenityzowania?

Podczas nagrzewania stali, powyżej temperatury A_c1, rozpoczyna się przemiana perlitu w austenit, nazywana przemianą austenityczną. W stalach podeutektoidalnych po przekroczeniu temperatury A_c3 rozpoczyna się przemiana ferrytu w austenit, a w stalach nadeutektoidalnych po osiągnięciu temperatury A_ccm- proces rozkładu cementytu.

Przemiana austenityczna rozpoczyna się zarodkowaniem austenitu na granicach międzyfazowych ferryt - cementyt i ma charakter dyfuzyjny. Szybkość zachodzenia przemiany austenitycznej zależy głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powyżej temperatury A_c1, (A_c3) przy grzaniu izotermicznym lub od szybkości nagrzewania przy grzaniu ciągłym oraz od ogólnej powierzchni granic międzyfazowych ferryt-cementyt, tj. dyspersji perlitu. Przemianę tę można rozważać w trzech następujących po sobie etapach:

• utworzenie austenitu niejednorodnego,

• utworzenie austenitu jednorodnego,

• rozrost ziaren austenitu.

Bezpośrednio po zakończeniu przemiany austenitycznej otrzymany austenit jest niejednorodny i do pełnego wyrównania koncentracji węgla i innych pierwiastków stopowych konieczne jest dalsze wygrzewanie.

Przemianie perlitu w austenit towarzyszy rozdrobnienie ziarna, jednak dalszy wzrost temperatury lub czasu austenityzowania sprzyja rozrostowi ziaren. Skłonność do rozrostu ziaren austenitu zależy w znacznym stopniu od rodzaju stali, które możemy podzielić na dwie grupy:

• stale drobnoziarniste o małej skłonności do rozrostu ziaren austenitu w zakresie tempera-tur do 900-950°C,

• stale gruboziarniste, w których rozrost ziaren austenitu następuje bezpośrednio po zakończeniu przemiany austenitycznej

27. Jakie są podobieństwa i różnice w mechanizmach przemian perlitycznej, bainitycznej i martenzytycznej?

Przemiana martenzytyczna ma charakter bezdyfuzyjny i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do około 200^oC. W wyniku przemiany powstaje martenzyt (przesycony roztwór węgla w Feα).

Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczenia węgla. Zachodzi prze chłodzeniu stali do temperatury w zakresie 450-200^oC. W wyniku tej przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną przesyconego ferrytu i wydzielonych węglików (dyspersyjnych).

Przemiana perlityczna ma charakter dyfuzyjny. W jej wyniku powstaje perlit (mieszanina ferrytu i cementytu)

28. Jakie są cechy morfologiczne perlitu, bainitu górnego i dolnego oraz martenzytu listwowego i płytkowego?

Perlit jest to płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu.

Bainit górny - powstaje w wyniku przemiany zachodzącej w temperaturze powyżej 300 C. Składa się z cementytu oraz przesyconego ferrytu. Jest strukturą niekorzystną ze względu na kruche pękanie.

Bainit dolny - powstaje w wyniku przemiany zachodzącej w temperaturze poniżej 300 C. Składa się z węglika ε oraz przesyconego ferrytu. Jest on twardszy od bainitu górnego gdyż wydzielone węgliki są bardziej dyspersyjne.

Martenzyt - forma stopu żelaza i węgla powstała przez rozpad austenitu przy jego szybkim schładzaniu tak, by nie było czasu na jego naturalną przemianę na ferryt i cementyt. Temperatura początku i końca przemiany martenzytycznej w dużym stopniu zależy od zawartości węgla w stopie.

Martenzyt ma strukturę drobnoziarnistą. Ziarna mają kształt igieł przecinających się pod kątem około 60°. Martenzyt jest fazą bardzo twardą i kruchą. Martenzyt powstaje w czasie hartowania stali. Martenzyt - przesycony roztwór węgla w żelazie alfa .

29. Praktyczne znaczenie wykresów czas - temperatura - przemiany.

Wykresy CTP_i (przy chłodzeniu izotermicznym) są sporządzane dla różnych stali i określają temperaturę i czas wygrzewania podczas wyżarzania izotermicznego oraz wychładzania w kąpieli solnej przy hartowaniu izotermicznym lub stopniowym.

Wykresy CTP_c (anizotermiczne przy chłodzeniu ciągłym) znalazły zastosowania do ustalenia struktury i twardości stali hartowanej, normalizowanej lub poddanej wyżarzaniu zupełnemu.

30. Jakie przemiany zachodzą podczas odpuszczania stali węglowcyh?

Podczas odpuszczania martenzyt podlega przemianom:

- od 80 do 250^oC - wydzielenie nadmiaru węgla w postaci węglika ε,

- od około 150^oC węglik ε jest zastępowany przez cementyt

W wyniku powyższych przemian powstaje martenzyt odpuszczony.

- w temperaturze około 400^oC otrzymujemy mieszaninę nieprzesyconego ferrytu i cementytu

- od 400 do 650^oC - wydzielenia cementytu przyjmują postać kulistą (powstaje sorbit)

31. Na czym polega absorpcja i dyfuzja?

Absorpcja — zjawisko oraz proces pochłaniania substancji gazowej w całą objętość substancji ciekłej lub stałej, lub też substancji ciekłej w całą objętość substancji stałej.

Dyfuzja — pod pojęciem dyfuzji rozumiemy jakiekolwiek względne zmiany rozmieszczenia atomów w sieci krystalicznej zachodzące pod wpływem wzbudzenia termicznego tzn. z wykorzystaniem energii drgań cieplnych atomów.

32. Mechanizmy prawa dyfuzji.

Są dwa zasadnicze mechanizmy dyfuzji: wakancyjny (zachodzący w roztworach substytucyjnych) i międzywęzłowy (w roztworach międzywęzłowych). Poza tym mogą działać specyficzne mechanizmy związane z obecnością określonych defektów sieci (dyslokacji, granic ziaren) lub tworzenia związków (dyfuzja reaktywna).

33. Klasyfikacja obróbki cieplnej.

Obróbkę cieplną dzielimy na:

- zwykłą

- cieplno-chemiczną

- cieplno-plastyczną

- cieplno-magnetyczną

34. Jakie są podstawowe operacje i zabiegi technologiczne w obróbce cieplnej?

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..

Odpuszczanie - polega na nagrzaniu uprzednio zahartowanej stali do temperatury nieprzekraczającej A_C1, wygrzaniu w czasie 30 minut do kilku godzin i oziębianiu. Operacja ta jest stosowana w celu zmiany struktury i właściwości materiału w kierunku poprawy ciągliwości i zmniejszenia kruchości naprężeń własnych.

Przesycanie - jest zabiegiem cieplnym któremu poddawana jest stal w celu stabilizacji austenitu. Polega na nagrzaniu stali do temperatury, w której nastąpi przemiana austenityczna, a następnie tak jak w hartowaniu szybkie schładzanie. Różnicą pomiędzy hartowaniem a przesycaniem jest to, że przy przesycaniu unika się zajścia przemiany martenzytycznej. W związku z tym, przesycanie daje się zastosować tylko dla stali, w których początek przemiany martenzytycznej jest niższy od temperatury otoczenia, czyli dla stali wysokowęglowych lub zawierających dodatki stopowe obniżające tę temperaturę i stabilizujących austenit, takich jak chrom

Starzenie - Operacja obróbki cieplnej stopów metali uprzednio przesyconych; polega na wygrzaniu ich w temperaturze odpowiednio niższej od temperatury przesycenia w celu wydzielenia z roztworu stałego przesyconego fazy (lub faz) o odpowiednim stopniu dyspersji, zawierającej składnik stopowy, znajdujący się w roztworze w nadmiarze.

Wyżarzanie - jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu elementu stalowego do odpowiedniej temperatury, przetrzymaniu w tej temperaturze jakiś czas, a następnie powolnym schłodzeniu. Ma głównie ono na celu doprowadzenie stali do równowagi termodynamicznej w stosunku do stanu wyjściowego, który jest znacznie odchylony od stanu równowagowego. Wyżarzanie przeprowadza się w różnych celach. Patrz poniżej...

35. Jakie są rodzaje wyżarzania? Do czego służą?

Ujednorodniające (homogenizowanie) - stosowane w celu wyrównania składu chemicznego (usunięcia segregacji chemicznej)

Normalizujące - dzięki wykorzystaniu efektu rozdrobnienia ziarna wyraźnie zwiększa granicę plastyczności i udarności przy nieznacznym wzroście twardości.

Zupełne - jest odmianą wyżarzania normalizującego z tym , że odlew stygnie powoli razem z piecem,

Zmiękczające - celem jest uzyskanie małej twardości, wystarczającej do obróbki skrawaniem

Izotermiczne -

Rekrystalizujące - stosowane w celu usunięcia skutków umocnienia

Odprężające - celem jest usunięcie naprężeń powstałych podczas krzepnięcia odlewu kosztem odkształceń plastycznych

Stabilizujące - stosowane w celu usunięcia naprężeń odlewniczych

36. Jakie są rodzaje hartowania stali i jakie struktury powstają?

Hartowanie marteznytyczne zwykłe - martenzyt.

Hartowanie martenzytyczne stopniowe - martenzyt

Hartowanie bainityczne zwykłe - bainit, przy ewentualnej obecności austenitu szczątkowego i martenzytu,

Hartowanie bainityczne izotermiczne - bainit przy ewentualnej obecności austenitu szczątk.

37. Co to jest hartowność, przehartowalność i utwardzalność stali?

Hartowność - podatność stali na hartowania, wyrażona zależnością przyrostu twardości w wyniku hartowania od warunków austenityzowania i szybkości chłodzenia.

Przehartowalność - mierzona głębokością utwardzenia przy określonej szybkości chłodzenia, przehartowalność zwiększa się w wyniku wzrostu stężenia węgla i dodatków stopowych w austenicie.

Utwardzalność - mierzona jest największą do uzyskania twardością w danych warunkach austenityzowania, zależy ona głównie od stężenia węgla w austenicie.

38. Na czym polega ulepszanie cieplne stali i co czego służy?

Ulepszanie cieplne jest to hartowanie i następnie wysokie lub średnie odpuszczenie; takiej obróbce cieplnej na ogół są poddawane półwyroby (wałki, odkuwki); górna wartość twardości po ulepszaniu cieplnym (około 35 HRC) jest ograniczona koniecznością zapewnienia dobrej skrawalności.

39. Na czym polega azotowanie gazowe stali?

Azotowanie polega na dyfuzyjnym nasyceniu stali azotem. Przebiega ono zwykle w zakresie temperatury 500-600oC w atmosferze zawierającej wolne atomy azotu. Azotowanie gazowe odbywa się najczęściej w atmosferze częściowo zdysocjowanego amoniaku.

40. Jaka jest budowa fazowa warstwy azotowanej i od czego ona zależy?

- strefa przypowierzchniowa, nieulegająca trawieniu, składająca się z bogatych w azot węgloazotków Fe2-3(N, C) i azotków γ' (Fe4N) lub tylko azotków γ; w strefie węgloazotków ε mogą występować pory,

- strefa azotowania wewnętrznego z wydzieleniami, która w stalach węglowych jest roztworem stałym azotu w żelazie z wydzieleniami lub bez wydzieleń azotków żelaza; w przypadku stali stopowych strefa ta zawiera drobnodyspersyjne wydzielenia azotków pierwiastków stopowych (Cr, W, Mo, V, Ti) rozmieszczonych w podłożu ferrytycznym;

41. Jakie są własności warstwy azotowanej?

- duża twardość powierzchniowa

- zachowanie twardości i wytrzymałości w podwyższonej temperaturze (do 600^oC)

- zwiększa odporność na ścieranie, zacieranie i zużycie adhezyjne,

- odporność na korozję gazową i atmosferyczną,

- duża wytrzymałość zmęczeniowa elementów azotowanych,

- względnie niska temperatura procesu, umożliwiająca wytworzenie twardej warstwy na uprzednio ulepszonym cieplnie rdzeniu,

- niewielkie odkształcenia elementów w procesie azotowania,

42. Jakie jest zastosowanie azotowania w praktyce?

Przemysł motoryzacyjny i maszynowy: wały korbowe, korbowody, koła zębate, pierścienie, sworznie tłokowe, śruby pociągowe, wrzeciona, elementy przekładni i sprzęgieł, frezy wiertła, gwintowniki.

43. Na czym polega nawęglanie gazowe stali?

Nawęglanie gazowe ma obecnie największe zastosowanie przemysłowe. Jest ono prowadzone w atmosferach zawierających CO, CO₂, H2, H2O, CH4 i N2 które wytwarza się przez częściowe spalanie gazów opałowych lub rozkład termiczny różnych ciekłych związków organicznych dostarczonych bezpośrednio do komory pieca do nawęglania.

44. Jaka jest budowa fazowa warstwy nawęglanej?

Warstwę nawęglaną można podzielić na trzy strefy:

- nadeutektoidalna: perlit + siatka cementytu

- eutektoidalna: perlit

- podeutektoidalna: perlit + ferryt, przy czym ilość ferrytu zmniejsza się w kierunku rdzenia.

45. Jakie są własności warstwy nawęglanej?

- zapewnia dużą twardość powierzchni obrabianych elementów,

- zapewnia dużą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe,

- zapewnia znaczną wytrzymałość zmęczeniową,

Rdzeń po takiej obróbce cieplnej wykazuje dużą ciągliwość, sprężystość i odporność na dynamiczne obciążenia.

46. Jakie jest zastosowanie nawęglania w praktyce?

Nawęglanie jest stosowane w procesach wytwarzania silnie obciążonych, odpowiedzialnych elementów, takich jak: koła zębate, wałki zębate i z wielowypustami, wałki rozrządu, sworznie tłokowe.

47. Jak wpływają pierwiastki stopowe na własności stali?

P:	rozpuszcza się w ferrycie i zwiększa Rm, podwyższa próg kruchości.
Si:	rozpuszcza się w ferrycie, zwiększa Rm i H. Stosowany jako odtleniacz, przeciwdziała segregacji i zwiększa drobnoziarnistość. W stalach maksymalnie 4% bo wzrasta kruchość.
Mn:	austenitotwórczy, tani i łatwo dostępny. Zwiększa dyspersję perlitu oraz hartowność stali, neutralizuje siarkę i niestety zwiększa ziarno.
Ni:	zwiększa plastyczność, obniża próg kruchości, austenitotwórczy, nie dodaje się go do stali narzędziowej
Co:	jako jedyny zmniejsza hartowność. Nie tworzy węglików. Dodawany głównie w celu zwiększenia żaroodporności i żarowytrzymałości.
Cr:	najczęściej dodawany. Zwiększa hartowność, odporność na korozję i żaroodporność.
W:	uodparnia na przegrzanie, zapewnia drobnoziarnistość, odporność na zużycie i ścieranie
V:	ma bardzo duże powinowactwo do węgla, zwiększa drobnoziarnistość i żarowytrzymałość
Ti:	zwiększa hartowność, twardość wtórną (podczas odpuszczania wydzielają się węgliki zwiększające twardość)
Al:	dodawany głównie w celu odtlenienia i odazotowania stali
Cu:	zwiększa wytrzymałość i twardość, jego zawartość w stalach trudnordzewiejących wynosi od 0,25-0,4%
B:	bardzo intensywnie zwiększa hartowność, do 0,003%. Zwiększa wytrzymałość ale tylko w stalach zahartowanych a nie w stanie wyżarzonym.
N:	skłonność do starzenia. Stabilizuje austenit. Tworzy konglomeraty z Ni i Mo. Umacnia znacznie stal

48. Jaki jest ogólny podział stali stopowych?

Stale stopowe dzielimy na:

Jakościowe - Uzyskują odpowiednie właściwości głównie w procesie stalowniczym przez walcowanie, ciągnienie i kucie, rzadziej przez obróbkę cieplną. Muszą spełniać określone wymagania, np. odnośnie wielkości ziarna, odporności na kruche pękanie, ciągliwości. Mają określone dopuszczalne stężenia pierwiastków stopowych.

Specjalne - uzyskiwane są przez dokładną kontrolę składu chemicznego i technologii wytwarzania. Są to stale o większej czystości. Mają zróżnicowany skład chemiczny i właściwości użytkowe.

W klasie tej znajdują się między innymi stale:

- szybkotnące

- narzędziowe stopowe

- łożyskowe

- maszynowe

- konstrukcyjne

49. Odmiany korozji.

Chemiczna (patrz 54), elektrochemiczna (patrz 52-53)

50. Na czym polega korozja - definicja.

Korozja - oddziaływanie fizykochemiczne i elektrolityczne między materiałem metalowym, a otaczającym środowiskiem w wyniku, którego następuje uszkodzenie korozyjne powodujące zmniejszenie własności metalu.

51. Jakie są skutki korozji?

Obniżenie własności mechanicznych i użytkowych maszyn, urządzeń i elementów; duże straty ekonomiczne bezpośrednie już 7-10% stali w procesie produkcji ulega zniszczeniu; ekonomiczne pośrednie wynikające z przestojów w eksploatacji maszyn.

52. Przebieg korozji elektrochemicznej.

53. Czynniki decydujące o przebiegu korozji elektrochemicznej.

Odp. 52-53:

Korozja elektrochemiczna zachodzi ze względu na działanie elektrolitów (woda, roztwory wodne soli, kwasów i zasad) na powierzchnię metalu, którą stanowią dodatnie i ujemne elektrody. Ze względu na różnice potencjałów dochodzi do tworzenia się lokalnych mikroogniw, i następuje lokalny przepływ prądu elektrycznego. Towarzyszą temu reakcje chemiczne redukcji i utleniania.

Reakcja redukcji (katodowa) jest związana z przepływem umownego prądu dodatniego z roztworu elektrolitu do elektrody, czyli w rzeczywistości z przepływem elektronów w kierunku przeciwnym.

Reakcja utleniania (anodowa) jest związana z przepływem dodatnich ładunków elektrycznych z elektrody do elektrolitu.

Korozja występuje tylko na anodach mikroogniw, gdzie zwykle tworzą się sole lub wodorotlenki metali, osadzające się na elektrodzie lub przechodzące do roztworu.

54. Korozja gazowa.

Jest to przykład korozji chemicznej występującej w suchym gazie tj. tlen, azot, powietrze itp. Niszczenie przebiega w wyniku reakcji chemicznych. Korozja ta przebiega na sucho bez udziału elektrolitów.

55. Jakie są mechanizmy powstawania zgorzelin na czystych metalach i ich stopach?

Na czystych metalach oraz na metalach z zanieczyszczeniami tworzą się wielowarstwowe. W pierwszym stadium są to zgorzeliny zwarte. Rosnąca zgorzelina ściśle przylega do rdzenia metalicznego, dzięki jej zdolności do odkształceń plastycznych.

Na stopach metali powstawaniu zgorzelin na granicach faz towarzyszy również utlenianie wewnętrzne.

56. Rodzaje korozji:

- równomierna,

- selektywna,

- wżerowa,

- międzykrystaliczna,

- naprężeniowa,

- zmęczeniowa,

57. Rodzaje ochrony przed korozją.

Dobór składu chemicznego stopów pracujących w warunkach korozji, ochrona katodowa, ochrona protektorowa, ochrona anodowa, stosowanie inhibitorów, powłoki i warstwy ochronne, ograniczenie oddziaływania środowiska korozyjnego.

58. Jakie są zasady doboru składu chemicznego pierwiastków korodoodpornych?

Na elektrochemiczną:

-stopy i metale jednofazowe (nie występują na ich powierzchni mikroogniwa między dwoma fazami)

Na chemiczną:

-występowanie zgorzelin w postaci ciągłej warstwy jednofazowej związku

-dodatki stopowe tj.: Zn, Al., Si, Cr Be, Mg

---