ZERÓKA MATERIAŁOZNAWSTWO II

Grupa B

1. Przebieg i cechy przemiany martenzytycznej. Wpływ austenitu szczątkowego na własności stali po hartowaniu. Przemiana martenzytyczna - zachodzi podczas szybkiego chłodzenia austenitu z szybkością większą od szybkości krytycznej. Martenzyt - przesycony roztwów stały w żelazie alfa, powstaje 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 także bardzo kruchy. Do zastosowań inżynierskich powinien być dalej poddany obróbce cieplnej przez odpuszczanie. Cechy przemiany martenzytycznej: przemiana bezdyfuzyjna, polega na przebudowie sieci przestrzennej z fazy gamma na fazę alfa, bez dyfuzji węgla; martenzyt powstaje przy ciągłym obniżaniu temperatury w granicach od Ms do Mf (temperatura Ms nie zależy od szybkości chłodzenia); przemiana postępuje przez tworzenie się nowych igieł martenzytu, nie przez rozrastanie poprzednio powstałych; przemiana zostaje zachamowana przez rosnące naprężenia ściskające w austenicie; naprężenia rozciągające i odkształcenia plastyczne ułatwiają przemianę martenzytyczną; przemiana ta w stalach jest nieodwracalna; wielkość płytek martenzytu zależy od wielkości ziaren austenitu (grubo, drobnoiglasty); przemiana zwykle nie zachodzi do końca; martenzyt średnio i wysokowęglowy (twardy, odporny na ścieranie): narzędzia, ścierane części maszyn, do dalszej obróbki cieplnej na sprężyny; niskowęglowy (ciągliwe, spawane, zgrzewane, wysoka wytrzymałość, granica plastyczności): karoserie samochodowe.

2. Narysować i kompletnie opisać wykres CTPi dla stali zaeutektoidalnej. Narysować dwa przebiegi obróbki cieplnej, tak by uzyskać strukturę troostytu i troostytu odpuszczania. Która z tych struktur i dlaczego jest wykorzystywana na sprężyny?

3. Wałek o średnicy 50mm wykonano ze stali zawierającej 0,35% C. Zaproponuj jego obróbkę cieplną: objętościową, powierzchniową lub chemiczną, tak by mógł być stosowany jako element narażony na obciążenia. Narysuj schemat zmian struktur na przekroju wałka. 

Obróbka cieplna: normalizowanie (wzrost wytrzymałości); hartowanie; odpuszczanie wysokie (na strukturę sorbitu odpuszczania); azotowanie (stale o 0,35%C można azotować, co poprawia odporność na ścieranie).

4. Jaką strukturę i dlaczego będą wykazywały stale o następujących składach chem.:

a) 0,4% C, 13% Cr: stal odporna na korozję, dzięki zawartości chromu || ferryt stopowy + węgliki chromu || Umocnienie: zamiast zwykłego hartowania, zastosować hartowanie powierzchniowe bo można dla zawartości 0,3-0,5%C.

b) 0,1% C, 18% Cr, 9% Ni: Taki skład chemiczny zapewnia takiej stali strukturę austenityczną. Jest to stal chromowo-niklowa. Ze wzostem temperatury rozpuszczalność węgla zwiększa się i dzięki temu można je przesycać, co zwiększa odporność tej stali na korozję.

5. Interpretacja krzywej dylatometrycznej jako ilustracji przebiegów odpuszczania.

Krzywe dylatometryczne (badanie zmiany długości próbki): I stadium (do ok 200C): początek to przegrupowanie C w martenzycie bez tworzenia węglików, początek relaksacji naprężeń; potem powstają przejściowe płytkowe węgliki, maleje przesycenie f, maleją naprężenia, gęstość i rozmieszczenie dyslokacji zostaje, a szczątkowy też; struktura: martenzyt odpuszczania (przesycony iglasty ferryt, węglik, a szczątkowy); właściwości: wytrzymałość, twardość prawie tak samo wysoka, ciągliwość niewielka ale trochę wyższa niż w Mh. II stadium (do ok 200, 300C): objętość rośnie, zanika a szczątkowy; produkty jak w I; struktura: nadal martenzyt odpuszczania (mniej przesycony f, nie ma a szczątkowego); właściwości: wytrzymałość, twardość lekko maleją, udarność spada od ok 250C - nieodwracalna kruchość odpuszczania przez ciągłą otoczkę węglika. III stadium (ok 300-400): objętość maleje, zanika przesycenie f, zarodkuje cementyt; reszta nadmiaru C wydziela się z f; cementyt: zarodkowanie z nadmiaru w f i przekształcenie węglika; struktura: troostyt odpuszczania (m średnio odpuszczony, iglasty f i ziarenka cementytu): właściwości: wytrzymałość, twardość dość wysokie, ale szybko maleją; ciągliwość niska ale rośnie. IV stadium (ok 400 do A): koagulacja cementytu, rekrystalizacja zgniotu fazowego - proces zdrowienia; ruch granic f blokowany wydzieleniami cementytu; ok 650C - ruch granic, rosną nowe równoosiowe ziarna f; struktura: sorbit odpuszczania (m wysoko odpuszczony; iglasty ferryt, skoagulowany cementyt), powyżej 650: sferoid (po długim wyżarzaniu, kulkowy cementyt na tle f); właściwości so: wytrzymałość zdecydowanie wyższa, ciągliwość raczej wyższa, twardość umożliwia jeszcze skrawanie, jest najlepszy, stosowany do części maszyn.

6. Brązy aluminiowe - metody umacniania i zastosowanie.

6. Brązy aluminiowe - metody umacniania i zastosowanie.
Brązy aluminiowe - stop miedzi z około 9-11% aluminium; przeważają brązy cynowe o mniejszej skłonności do segregacji, lepszych właściwościach odlewniczych, większej odporności na korozję.
Brązy wolnochłodzone o zawartości Al poniżej 8% o strukturze jednofazowej można przerabiać plastycznie na zimno i gorąco przy około 6%.
Brązy powyżej 9% Al: pojawia się eutektoid (alfa+gamma'), można przerabiać plastycznie tylko na gorąco, ale strukturę można zmieniać drogą obróbki cieplnej. Po zahartowaniu ich do temp 850-950C zachodzi przechłodzenie beta i powstaje struktura iglasta typu martenzytycznego, o dużej wytrzymałości i małej plastyczności. Po odpuszczaniu poniżej 550C rozpada się na mieszaninę alfa+gamma o dobrych właściwościach wytrzymałościowych i plastycznych.
Brązy odlewnicze: Al powyżej 8%; wieloskładnikowe, rzadkopłynne; mała segregacja; duży skurcz; dobra odporność na korozję.
Mają zastosowanie jako części w przemyśle chemicznym, elementy pracujące w wodzie morskiej, monety, styki ślizgowe, części łożysk, wały, śruby, sita, koła zębate.

Grupa A

1. Przemiana perlit-austenit - wpływ warunków przemiany na własności stali po hartowaniu i odpuszczaniu: inaczej austenityzowanie, zachodzi w sposób dyfuzyjny. Polega na przemianie perlitu w austenit niejednorodny, a następnie jednorodny. Celem jest otrzymanie możliwie jednorodnego austenitu, który będzie drobnoziarnisty, co wpływa z kolei na przebieg przemian podczas chłodzenia. Przebieg: 1. Aby zaszła przemiana konieczna jest
w celu uzyskania
do rozpoczęcia przemiany. 2. Powstanie zarodków austenitu na granicy międzyfazowej w perlicie. 3. Rośnięcie zarodków ziarna austenitu niejednorodnego 4. Ujednorodnienie ziaren austenitu. ||| Powstający z zarodków, występujących na granicach ziaren, austenit pod względem składu chem. nie jest niejednorodny (zarówno zarodki jak i powstający austenit). Przy dużych szybkościach grzania, początek i koniec przemiany perlit-austenit zachodzi przy dużo wyższej temp. niż przy wolnym grzaniu. Na szybkość przemiany ma wpływ: szybkość nagrzewania, budowa perlitu (im drobniejsze płytki w perlicie tym przemiana zachodzi szybciej, najmniej korzystny cementyt kulkowy). Po przekroczeniu temp. przemiany Ac1 ziarna austenitu ulegają znacznemu rozdrobnieniu, co wynika z dużej liczny zarodków na powierzchniach granicznych ferryt-cementyt, jednak dalsze grzanie (podwyższenie temp. lub wydłużenie czasu) będzie powodowało ich rozrost (proces samorzutny). Otrzymanie austenitu drobnoziarnistego sprzyja dalszym procesom obróbki plastycznej, gdyż przy dużym rozdrobnieniu procesy zachodzą łatwiej i można uzyskać korzystniejsze rezultaty. Duży wpływ tego procesu jest widoczny przy późniejszych procesach chłodzenia.

2. Narysować i kompletnie opisać wykres CTPi dla stali przedeutektoidalnej. Narysować dwa przebiegi obróbki cieplnej, tak by uzyskać strukturę sorbitu i sorbitu odpuszczania. Jakie i dlaczego występując w tych strukturach różnice cementytu.

Wykres CTPi - wykres czas-temp.-przemiana w warunkach izotermicznych (izotermicznego chłodzenia w tej samej temp.). V_kr - pr. krytyczna, chłodzenie z większymi pr. powoduje przebieg procesu bezdyfuzyjny. ||| W sorbicie występuje cementyt płytkowy, natomiast w sorbicie odpuszczania Fe3C kulkowy. Wynika to z zastosowanej obróbki cieplnej, tzn. że dla uzyskania sorbitu odpuszczania należy po zahartowaniu przeprowadzić odpuszczanie wysokie (500-600
).

3. Wałek o średnicy 50mm wykonano ze stali zawierającej 0,15% C. Zaproponuj jego obróbkę cieplną: objętościową, powierzchniową lub chemiczną, tak by mógł być stosowane jako element narażony na obciążenia zmienne w warunkach ścierania . Narysuj schemat zmian struktur na przekroju wałka. Prawidłowa będzie obróbka cieplno-chem. W tym przypadku nawęglaniu, które wykonuje się dla stali do zawartości 0,2-0,25% C. Nawęglanie wykonuje się do 0,8% na powierzchni, na grubości ok. 1,5-3 mm. W wyniku nawęglania na powierzchni powstaje struktura zawierająca 0,8%C. Następnie w odległości g (grubość warstwy nawęglonej) od powierzchni znajduje się struktura z 0,4%C (50:50 ferryt:perlit). Struktura rdzenia pozostaje bez zmian.

4. Jaką strukturę i dlaczego będą wykazywały stale o następujących składach chem.:

a) 0,1% C, 13% Cr - stal odporna na korozję, dzięki zawartości chromu || ferryt stopowy + węgliki chromu || Umocnienia: zahartować i odpuścić nisko uzyskanie struktury martenzytu odpuszczania

b) 1,1% C, 13% Mn: austenit stopowy (Fe₃Mn)₃C || Umocnienia: odkształcenia plastyczne na zimno, przesycenie, starzenie

5. Wzrost podobieństwa w przemianie martenzytycznej-bainitycznej (różnice):

6. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej - metody umacniania i zastosowanie.

To stopy o zawartości dodatków stopowych mniejszych niż stopy odlewnicze aluminium. Ich struktura składa się z ziarn roztworu stałego oraz wydzieleń faz międzymetalicznych pochodzących od dodatków stopowych i zanieczyszczeń. Podział: nieobrabiane cieplnie (zbudowane z jednorodnych roztworów stałych, mogą być umacniane odkształceniowo, np. Al.-Mn, Al.-Mg); obrabiane cieplnie ( umacniane wydzieleniowo, np. Al-Si, Al-Cu, Al-Mg-Si). || Metodą umacniania stopów aluminium do przeróbki plastycznej jest umacnianie wydzieleniowe (utwardzanie dyspersyjne) - proces techniczny złożony z przesycania roztworu stałego
przez szybkie chłodzenie z temp. 500-580
i starzenia przesyconego roztworu
w celu wydzielenia faz o dużej dyspersji - umocnienia wydzieleniowego. Starzenie może być samorzutne (naturalne) w temp. pokojowej lub sztuczne (przyśpieszone) w wyniku wygrzewania w temp. 100-180
. Proces prowadzony w celu podwyższenia twardości i własności wytrzymałościowych stopów przy zachowaniu dostatecznej plastyczności. ||| Zastosowywanie: przemysł samochodowy, okrętowy, samolotowy, w architekturze, elementy odporne na zużycie ścierne, twarde i wytrzymałe.

---