Krystalizacja
Przechodzenie ze stanu ciekłego w stan stały, ma ogromne znaczenie gdyż od tego zależy rzeczywista struktura, a więc właściwości mechaniczne. Oziębienie cieczy zmniejsza ruchliwość atomów tak, że w temperaturze krzepnięcia siły wiązań gwałtownie zwiększają powodując gwałtowne zmniejszenie energii wewnętrznej układu.
Jej nadmiar wydziela się w czasie krzepnięcia w postaci ciepła, utrzymują przez cały czas trwania zmiany stanu skupienia stałą temperaturę układu pomimo strat ciepła do otoczenia. W niektórych przypadkach możemy obniżyć temperaturę krzepnięcia: dla metali o kilka stopni, dla wody o 20 stopni tworzywa jednocząsteczkowe o kilkaset. Zjawisko to jest możliwe w przypadku odizolowania ciepła od otoczenia. Podobne zjawisko możemy osiągnąć nagrzewaniu (znacznie trudniej).
Mechanizm krzepnięcia – polega na powstawaniu w cieczy zarodków krystalizacji i na ich wzroście. W teorii krystalizacji są dwie wartości charakteryzujące proces:
1.Szybkości zarodkowania (SZ) - jest to liczba zarodków krystalizacji tworzących w jednostce objętości cieczy, w jednostce czasu.
2.Szybkości krystalizacji (SK) – liniowa szybkość wzrostu kryształów w jednostce długości , na jednostkę czasu.
Mechanizm krystalizacji może być sterowany poprzez prędkość chłodzenia. Przy małych prędkościach chłodzenia szybkość krystalizacji dominuje nad szybkością zarodkowania – uzyskuje strukturę gruboziarnistą. Przy dużych szybkościach chłodzenia dominuje szybkość zarodkowania – uzyskujemy strukturę drobnoziarnistą.
Mechanizm zarodkowania
W ciekłym metalu zarodkiem krystalizacji jest przypadkowo pojawiająca się grupa atomów bliskiego uporządkowania pozycją położenia atomów w sieci. Zarodkiem może być wtrącenie nieczystości, warstwa tlenków, ścianki naczynia. Rozróżnia się następujące zarodki:
1) Zarodkowanie homogeniczne – polega ono na tworzeniu się zarodka w kształcie kuli w jednorodnej cieczy ( rzadko spotykamy – znaczne przechłodzenie ).
2) Zarodkowanie heterogeniczne – polega ona na tworzeniu się zarodka o kształcie czaszy kulistej na powierzchni fazy stałej – jest podstawowym elementem krystalizacji metali.
Wzrost zarodka krystalizacji polega na osadzeniu się na jego powierzchni atomów z cieczy, które dzięki zmniejszeniu ruchliwości są przyłączone siłami wiązań i umiejscawiają się w położeniach odpowiadających pozycji w sieci. Szybkość krystalizacji wykazuje anizotropię. Szybkość jest największa po płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami.
Podstawianie struktury dendrytycznej – Mikrostruktura materiałów metalicznych utworzona jest w wyniku krystalizacji nosi nazwę struktury pierwotnej. Dzięki dużej liczby zarodków krystalizacji, metale i stopy mają budowę polikrystaliczną. Mechanizm tworzenia się mikrostruktury polikrystalicznej ( dendrycznej ) jest następujący: W początkowym okresie zarodki rozrastają się swobodnie po płaszczyznach najgęściej obsadzonych atomami. Ich wzrost zostaje zachowany lokalnym podniesieniem temperatury ( na skutek wydzielania się energii wewnętrznej ). W międzyczasie w innym miejscu zarodka rozpoczyna się krystalizacja i trwa również do momentu wzrostu temperatury przed frontem krystalizacji. Po pewnym czasie rusza proces krystalizacji. W wyniku zetknięcia się cieczy z zimnymi ścianami naczynia uzyskuje się dużą prędkość odprowadzenia ciepła, powoduje to uzyskanie dużej prędkości zarodkowania w wyniku czego przy ściankach naczynia pozostaje strefa drobnoziarnista, strefa ta zmniejsza szybkość odprowadzania ciepła ( izoluje ), a więc rośnie szybkość krystalizacji i zarodki rozrastają się do większych rozmiarów w kształcie równoległym równolegle do kierunku odprowadzania ciepła ( jest to strefa ziarna słupkowego. Ta strefa jeszcze bardziej zmniejsza szybkość chłodzenia i ogranicza kierunkowość odprowadzania ciepła, dlatego w tym etapie powstają ziarna równoosiowe osiągające znaczne rozmiary ( ziarna walcowe ).
a) wakansy (puste węzły), mogą się przemieszczać
b) obce atomy w węźle (atom może być większy lub mniejszy)
c) defekt Frenkla (atom wyskakuje z węzła i przeskakuje do pozycji międzywęzłowej )
d) obcy atom w pozycji międzywęzłowej
Liniowe - zwane dyslokacjami mają w dwóch prostopadłych kierunkach wymiar stałej sieciowej a w trzecim wymiar ziarna.
a) dyslokacja krawędziowa – wakansy obok siebie tworzą tunel biegnący do granicy ziarna.
b) dyslokacja śrubowa
a w dwóch pozostałych wymiary ziarna. Są to powierzchnie rozkładu ziarna zwane granicami.
Granice mogą być: szerokokątne, wąskokątne.
Odkształcenia plastyczne metali.
W monokrysztale mogą wystąpić odkształcenia:
a) sprężyste – sprężyste ugięcie sieci, ugięcie musi być mniejsze niż odległość międzyatomowa.
b) plastyczne – powstają po usunięciu naprężeń : przez poślizg lub bliźnia kowanie.
- przez poślizg może mieć do 100 odległości międzyatomowych
- przez bliźnia kowanie – polega na skręceniu jednej części kryształu względem drugiej o kąt B naprężenie niezbędne do wywołania bliźnia kowania jest znacznie większa od naprężenia wywołującego poślizg.
Zgnioty - rekrystalizacja wtórna
Pojęciem zgniot nazywa się całokształt zmian mikrostruktury, naprężeń własnych oraz właściwości wywołanych odkształceniami plastycznymi. W wyniku zgniotu otrzymuje się strukturę zwaną teksturą zgniotu. W wyniku tej tekstury następuje anizotropowe umocnienie materiału. Wymienione umocnienie i kształt zgniecionego ziarna są trwałe tylko do określonej temperatury. Wyżarzenie zgniecionego materiału wywołuje w nim zmiany. Wyżarzenie w niskiej temperaturze zmniejsza naprężenie własne Obróbkę cieplną przy której usuwa się naprężenie własne nazywamy odprężaniem. Przy wyżarzaniu w wysokiej temp. materiał uzyskuje te właściwości które miał przed zgniotem. Zjawisko to nazywamy uzdrowieniem (nawrotem). Wyżarzenie w jeszcze wyższej temp. powoduje likwidację struktury włóknistej i odtworzenie ziarna komórkowego. Zjawisko przebudowy kryształów zgniecionych na komórkowe nazywamy rekrystalizacją pierwotną. Dalsze wygrzewanie w odpowiednio wyższej temp. powoduje rozrost ziaren. Zjawisko to nazywamy rekrystalizacją wtórną. Zjawisko rekrystalizacji wtórnej pogarsza właściwości mechaniczne i technologiczne. Zjawisko rekrystalizacji pierwotnej jest wykorzystywane w procesach obróbki plastycznej do odzyskania właściwości plastycznych utraconych podczas zgniotu. Temperaturę rekrystalizacji można w przybliżeniu kreślić według wzoru :
TR = ATtop A – współczynnik rozpuszczalności ( dla czystych metali A = 0,4 dla stopu A = 0,6 )
Omówiony proces można przedstawić na wykresie:
Wartość zgniotu ma wpływ na wielkości ziarna po wyżarzeniu. Zgniot przy którym po wyżarzeniu otrzymuje się największe ziarna, nazywa się zgniotem krytycznym. Obróbka plastyczna prowadzona w temp. niższej od temp. rekrystalizacji powoduje umocnienie materiału natomiast obróbka plastyczna w temp. wyższej od temperatury rekrystalizacji umocnienia nie wywołuje. Stąd wynika podział na obróbkę na zimno ( T < TR ) i na gorąco ( T > TR ). Podstawy obróbki cieplnej
Obróbka cieplna jest zabiegiem cieplnym lub kilkoma zabiegami, mającym na celu zmiany struktury stopu w stanie stałym, a przez to nadaje im żądanych właściwości mechanicznych. Jako środek do jego celu stosuje się podnoszenie lub obniżanie temp. obrabianego cieplnie materiału, oraz pewne procesy cieplno-chemiczne, cieplno-plastyczne, cieplno-magnetyczne.
Ważne znaczenie dla obróbki cieplnej ma układ równowagi żelazo-cementu, a ściśle jego fragment do zawartości 2,11% węgla.
Klasyfikacja procesów obróbki cieplnej.
Zabieg obróbki cielnej jest to określony zespół czynności: nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie obrobionego cieplnie materiału.
Zabiegi obróbki cieplnej dzieli się na:
- obróbkę cieplną zwykłą: uzyskanie właściwości następuje na drodze zmian struktury bez zmiany chemicznej: wyżarzanie, hartowanie, ulepszanie, utwardzanie, przechładzanie, wymrażanie.
- obróbka cieplno chemiczna: połączenie zabiegu cieplnego z oddziaływaniem środowiska chemicznego: nawęglanie, azotowanie, cyjanowanie, nasiarczanie, termo dyfuzyjne nasycanie metalami lub nie metalami.
Obróbka cieplna zwykła.
Nagrzewanie ciągłe lub stopniowe podnoszenie temp. do żądanej wartości. Nagrzewanie - stopniowe może być podgrzewanie do temp. niższej niż temp. właściwa obróbki cieplnej.
Dogrzewanie – nagrzewanie materiału do obróbki właściwej.
Wygrzewanie - utrzymywanie temp. odpowiadającej danemu zabiegowi, w czasie potrzeby do wyżarzenia temp. w całym przekroju materiału.
Chłodzenie – ciągłe lub stopniowe, powolne chłodzenie nazywany studzeniem przy chłodzeniu stopniowym wyróżnia się: podchłodzenie- do temp. wyższej niż końcowa, dochładzanie – chłodzenie od temp. podchładzania do temp. końcowej.
Wyżarzanie – są to zabiegi cieplne, które w mniejszym lub większym stopniu prowadzi do stanu równowagi termodynamicznej w obrębianym stopie. Są to najczęściej: nagrzewanie do określonej temperatury, wygrzewanie chłodzenie.
Hartowanie – prowadzi do powstawania struktury nierównowagowej, celem zabiegu jest zwiększenie twardości wyrobu. Rozróżniamy dwie metody hartowania:
a) hartowanie objętościowe, polega na nagrzewaniu elementu na wskroś i może być realizowane z różnymi prędkościami studzenia i w nim rozróżniamy:
- hartowanie zwykłe (martenzytyczne) polega na ustenityzowaniu, następnie z szybkim oziębieniem,
W zależności od sposobu chłodzenia rozróżniamy:
- hartowanie przerywane (dwa ośrodki chłodzenia)
- hartowanie stopniowe
- hartowanie izotermiczne
b) hartowanie powierzchniowe, polega na austenityzowaniu jedynie cienkiej warstwy powierzchniowej przedmiotu w wyniku czego tylko w tej warstwie tworzy się struktura martenzytyczna i następuje utwardzenie powierzchni. W zależności od sposobu nagrzewania rozróżniamy:
- hartowanie płomieniowe, - hartowanie indukcyjne, - hartowanie kąpielowe.
Odpuszczanie – polega na nagrzewaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temp. Ac 1, co prowadzi do usunięcia naprężeń oraz przemian wywołujących zmniejszenie twardości i wzrost plastyczności stali. Połączenie hartowania i wysokiego lub średniego odpuszczania nazywamy ulepszaniem cielnym.
Azotowanie – nasycenie azotem elementów stalowych aby uzyskać dużą twardość przy tej samej odporności na ścieranie i zmęczenie. Azotowana warstwa ma lepszą odporność korozyjną. Azotowaniu poddaje się elementy po ulepszeniu cieplnym. Wyróżnia się dwa rodzaje: jonowe i w zdysocjowanym amoniaku.
Węgloazotowanie – jednoczesne działanie azotem i węglem – skrócenie czasu obróbki. Azot zmniejsza temp. obróbki co hamuje rozrost ziarna. Rozróżniamy dwa rodzaje: kąpielowe i gazowe.
Wyróżnia się jeszcze inne rodzaje obróbki cieplno-chemicznej: siarkowanie, borowanie.
Przez pojęcie stali konstrukcyjnych rozumie się stale stosowane do wyrobu części maszyn, urządzeń i konstrukcji pracujących w zwykłych warunkach (-40,300) oraz w środowiskach nie oddziałujących szkodliwie na te elementy .
Stale konstrukcyjne powinny odznaczać się dostatecznymi właściwościami wytrzymałościowymi przy dobrych właściwościach plastycznych , aby elementy maszyn i urządzeń wykonane z tych stali mogły przenosić obciążenia zarówno o charakterze statycznym , jak i dynamicznym .
Są to konstrukcyjne stale stopowe w stanie normalizowanym ( nie podlegają obróbce cieplnej) . wymaga się od tych stali dobrych właściwości mechanicznych , a zwłaszcza podwyższonej granicy plastyczności . Zawartość węgla w tych stalach nie przekracza 0,22% , a ze względu na strukturę dzielimy je na dwie grupy : stale perlityczne , stale bainityczne . Dodatki stopowe do tych stali to: mangan ( 1,0-1,8% ) , krzem ( 0,2-0,6% ) .
Stosuje się do wytwarzania elementów drobnych o małych przekrojach lub w przypadku , gdy oprócz dużej odporności na ścieranie nie stawia się wymagań co do odpowiedniej wytrzymałości rdzenia . Stale te maja niską zawartość węgla ( 0,1-0,25% ) , aby przy twardej warstwie powierzchniowej rdzeń miał dobre właściwości plastyczne .
Dodatki stopowe do tych stali to : chrom ( 1-2% ) , mangan , molibden , nikiel .
Stale do ulepszania cieplnego
Stosuje się do wytwarzania części maszyn podlegających dużym obciążeniom . Dzięki ulepszaniu cieplnemu , tj. hartowaniu z następnym wysokim odpuszczeniem można uzyskać wysoką wytrzymałość na rozciąganie , granicę plastyczności i sprężystości przy dość dużej ciągliwości oraz udarności . Ponadto przez odpuszczenie usuwa się naprężenia wewnętrzne powstające w przedmiotach stalowych podczas ich wytwarzania , zapewniając jednocześnie możliwość obróbki mechanicznej po ulepszeniu .
Stale do ulepszania cieplnego obejmuje : stale węglowe o zawartości 0,25-0,65% węgle oraz stale stopowe o zawartości 0,25-0,50% węgla .
Dodatki stopowe do tych stali to ; chrom ( 3% ) , nikiel ( 5% ) , wanad ( 3% ) .
Stale do azotowania
Wykazują po azotowaniu najlepsze właściwości warstwy dyfuzyjnej. Są to stale średniowęglowe, zawierające aluminium, chrom, molibden a czasami także tytan i wanad. Składniki te tworzą bardzo twarde azotki. Zawartość węgla 0,25-0,45% w stalach do azotowania umożliwia uzyskanie wysokich właściwości mechanicznych rdzenia po zastosowaniu przed azotowaniem ulepszenia cieplnego.
Stale sprężynowe
Stale te używane na sprężyny i resory powinny wykazywać się wysoką granicą sprężystości oraz znaczną wytrzymałością zmęczeniową. Ponadto muszą wykazywać dobre właściwości plastyczne , aby w przypadku przekroczenia granicy sprężystości nastąpiło jedynie trwałe odkształcenie elementu bez jego zniszczenia .
Stale do hartowania powierzchniowego
Dobiera się je tak , aby równocześnie uzyskać dużą twardość powierzchniową i odpowiednie właściwości wytrzymałościowe rdzenia . Do tego celu stosuje się stale z gatunku stali do ulepszania cieplnego o zawartości węgla w granicach 0,4-0,6% zarówno węglowe , jak i stopowe .
Stale i stopy narzędziowe służą do wykonywania narzędzi do kształtowania materiału zarówno na drodze obróbki skrawaniem, jak i przeróbki plastycznej oraz przyrządów pomiarowych.
Materiały narzędziowe powinny mieć następujące właściwości: wysoką twardość; dużą odporność na ścieranie; odpowiednią hartowność; odporność na działanie wyższych temperatur.
Marcin0402