Zarodkowanie homogeniczne zachodzi w cieczy metalicznej całkowicie jednorodnej, a w jego wyniku powstaje zupełnie jednorodna faza stała.
Zarodkowanie heterogeniczne Polega ono na tworzeniu zarodka na obcym podłożu o stanie stałym. Funkcje podłoża spełniają ściany formy odlewniczej i cząstki wysokotopliwych zanieczyszczeń znajdując się w stanie stałym w cieczy metalicznej. Zarodek podkrytyczny powstający na płaszczyźnie ma kształt kulistej czaszy.
Szybkość krzepnięcia uzależniona jest od:
-szybkości zarodkowania vz, tj. od ilości zarodków krystalizacji tworzących się w ciągu jednostki czasu w jednostce objętości cieczy metalicznej.
-liniowa szybkości krystalizacji vk, tj. szybkość przesuwania się frontu krystalizacji, mierzonej w jednostkach długości na jednostkę czasu.
Mechanizmy odkształceń plastycznych:
-poślizg dyslokacyjny, -bliźniakowanie, -pełzanie dyfuzyjne, -pełzanie dyslokacyjne, -poślizg po granicach ziaren.
Mechanizm poślizgu – polega on na wzajemnym przemieszczaniu się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunku poślizgu. Budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje nie zmieniona.
Bliźniakowanie – polega na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania. Zblixniaczona część kryształu ulega skręceniu względem części nieodkształconej w taki sposób, że ich struktury krystaliczne są symetryczne osiowo względem płaszczyzny bliźniakowania.
Granica plastyczności jest nazywana naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego we wszystkich ziarnach. Metale często wykazują górną i dolną granice plastyczności. Górna granica plastyczności najczęściej jest wyjaśniana odrywaniem się dyslokacji od tzw. atmosfer Cottrells, tj. atmosfer atomów obcych usytuowanych w pobliżu jądra dyslokacji. Dolna granica plastyczności zwiększa się wraz ze zmniejszeniem wielkości ziaren, zgodnie równaniem Halla-Petcha:
Red=so+k*d-1/2
Zarodki rekrystalizacji powstają heterogenicznie w obszarach o największej krzywiźnie sieci. Zarodkowanie polega na: -wzroście podziarn, -migracji odcinków szerokokątnych granic ziaren pierwotnych.
Rekrystalizacja pierwotna: energia zmagazynowana w odkształconym metalu jest siłą napędową wzrostu nowych ziaren z zarodków rekrystalizacji kosztem odkształconej osnowy. Proces ten, polegający na migracji szerokokątowych granic zarodków rekrystalizacji, jest nazywany rekrystalizacją pierwotną i trwa aż do chwili, gdy zrekrystalowanane ziarna obejmą całą objętość uprzednio odkształconego plastycznie metalu. Temp rekrystalizacji jest uzależniona od: -stopnia gniotu, sposobu, temperatury i szybkości odkształcenia plastycznego, czasu wyżarzania, wielkości ziaren odkształconego metalu.
Obróbka cieplna: -cieplna zwykła, -cieplno-chemiczna, -cieplno-mechaniczna, -cieplno-magnetyczna.
Obróbka cieplna zwykła dzieli się na:
1.Wyżarzanie
2.Hartowanie i odpuszczanie.
3.Przesycanie i starzenie.
Operacje obróbki cieplnej:
Nagrzewanie jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temp. elementu obrabianego cieplnie. Wygrzewanie polega na wytrzymywaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temp. Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu. Chłodzenie z mała szybkością nazywamy studzeniem, natomiast z dużą oziębianiem. Wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w pośredniej lub docelowej temp. podczas chłodzenia nazywamy wychładzaniem.
Tworzenie się austenitu. Warunkiem rozpoczęcia procesu się austenitu z mieszaniny ferrytu i cementytu jest nagrzewanie stali do temp. wyższej od Ac1. Po nagrzaniu do tej temp. na granicach międzyfazowych ferrytu i cementytu następuje nie jednorodne zarodkowanie austenitu. Przemiana ma charakter dyfuzyjny gdyż rozrastające się zarodki tej fazy rozpuszczają zarówno cementyt jak i ferryt. W kolejnych fazach tworzenia się austenitu następuje rozpuszczenie węglików i ujednorodnienie składu chemicznego austenitu. Przemiana ferrytu w austenit o małym stężeniu węgla przebiega z dużą szybkością, natomiast rozpuszczanie się cementytu w austenicie, wymagające dyfuzji węgla na znaczne odległości , zachodzi z niewielką szybkością.
Metody ujawniania austenitu.
1.Metoda nawęglania stali niskowęglowej w ośrodku stałym z następnym kontrolowanym chłodzeniem umożliwia obserwacje metalograficzne siatki cementytu na granicach ziaren austenitu pierwotnego w warstwie nawęglonej, wytrawionej nitalem lub zasadowym pikrynianem sodu.
2.Matoda utleniania polega na obserwacji siatki ferrytu utworzonej na granicach ziarn austenitu pierwotnego w wyniku odwęglania przygranicznych obszarów ziaren w czasie austenityzowania stali eutektoidalnej w atmosferze utleniającej, po następnym ochłodzeniu w wodzie lub powietrzu.
3.Metoda siatki ferrytu lub cementytu stosuje się do obserwacji ziarna austenitu pierwotnego w stalach podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych, gdyż na granicach austenitu podczas odpowiedniego chłodzenia wydziela się ferryt lub cementyt w postaci siatki.
4.Metoda trawienia roztworem kwasu pikrynowego i kwasu solnego w alkoholu etylowym umożliwia obserwację ziarna austenitu pierwotnego w stalach, przede wszystkim stopowych, zahartowanych na martenzyt. W celu wyraźniejszego wytrawienia granic ziarn austenitu pierwotnego w niektórych stalach korzystne jest zastosowanie uzupełniającego odpuszczania w temp ok. 450C.
Przemiany martenzytyczne: Jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temp Ms, początek tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejsza nawet od ok. 200C przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej.
Przemiana bajnityczna: łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temp w zakresie ok. 450-200C. W wyniku przemiany powstaje bainit. Zarodkowanie bainitu rozpoczyna się dyfuzyjne przemieszczenia węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji.
Przemiana perlityczna: Zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temp Ar1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwanej perlitm. Siła pędna przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu.
Rodzaje wyżarzania:
Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali do temp 1050-1200C o ok. 100-200C niższej od temp solidusu, wygrzewaniu długotrwałym w tym zakresie temp i następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewów stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją.
Wyżarzanie rekrystalizujące: polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temp wyższej od temp rekrystalizacji, wygraniu w tej temp i chłodzeniu z dowolną szybkością.
Wyżarzanie odprężające: polega na nagrzaniu stali do temp Ac1, wygrzaniu w tej temp i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odpowiednio odlewniczych, spawalniczych, cieplnych oraz spowodowanych obróbką plastyczną.
Wyżarzanie normalizujące: polega na nagrzaniu stali do temp o 30-50C wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temp i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali.
Hartowanie.
Hartowanie martenzytyczne polega na nagrzaniu stali do temp austenityzowania, wygrzaniu w tej temp i oziębieniu z szybkością większą od krytycznej w celu uzyskania struktury martenzytycznej.
Hartowanie bainityczne w tym hartowaniu stosuje się chłodzenie w temp mniejszej od krytycznej.
Utwardzalność to podatność stali na hartowania, miarą której jest zależność największej twardości od warunków austenityzowania. Jest ona uzależniona od warunków austenityzowania oraz stężenia węgla w austenicie.
Przehartowalność: rozumie się podatność stali na hartowanie jako zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia. Wpływa na nią stężenie węgla i pierwiastków stopowych w roztworze stałym podczas austenityzowania, stopień jednorodności austenitu oraz wielkości jego ziaren.
Odpuszcanie.
1.Odpuszczanie niskie – jest wykonywane w temp 150-200C i stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie.
2.Odpuszczanie średnie – odbywa się w temp 250-500 C. Jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zachowuje dużą wytrzymałość i sprężystość.
3.Odpuszczanie wysokie: odbywa się w temp powyżej 500C. Lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznych stali. Stosowane między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności Re.
Absorpcja polega na osadzaniu się wolnych atomów, z fazy gazowej lub ciekłej, na granicy fazy stałej w postaci warstewki o grubości jednego atomu. Przyczyną absorpcji są siły przyciągania atomów ośrodka gazowego lub ciekłego przez niewysycone rdzenie atomów występujące na powierzchni metalu.
Dyfuzja jest aktywowanym cieplnie procesem zachodzącym wskutek ruchu atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku stężenia składników.
Przewężenie to stosunek zmniejszania pola powierzchni przekroju poprzecznego próbki w miejscu zerwania do pola powierzchni jej przekroju początkowego, wyrażony w procentach. Z=(So-Su)/So*100%
Twardość jest własnością której nie można zdefiniować jednoznacznie. Próby sklasyfikowania w zależności od rodzaju oporu materiału, stawianego podczas próby. Są to:
1.Statyczna próba twardości, podczas których opór materiału spowodowany działaniem obciążenia statycznego jest związany z odkształceniami plastycznymi.
2.Dynamiczne próby twardości, podczas których opór materiału wywołany działaniem obciążenia udarowego jest związany z odkształceniem plastycznym lub sprężystym.
3.Próby zarysowania, w których opór materiału jest związany z jego zarysowaniem.
4.Próby twardości, o której decyduje ścieralność materiału.
Zmęczeniem nazywane są zmiany zachodzące w metalu pod wpływem zmiennych, niekiedy okresowo, naprężeń lub odkształceń, ujawniające się albo przez zmniejszenie wytrzymałości i trwałości, albo przez zniszczenie w wyniku pęknięcia.
Klasyfikacja zjawisk zmęczeniowych:
1.Lokalne odkształcenie plastyczne przejawiające się pasmami poślizgów i bliźniakowaniem oraz szczególnymi odmianami pasm poślizgu zwanymi ekstruzjami i intruzjami
2.Cykliczne umocnienie i odmocnienie
3.Zarodkowanie, rozwój i łączenie się mikropęknięć zmęczeniowych
Pasmo poślizgu: są one widocznymi oznakami odkształcenia plastycznego i zwykle składa się z różnej liczby lini poślizgów. W przekroju poprzecznym pasma poślizgów tworzą uskoki zwane też schodkami. Przebieg i geometria poślizgów oraz budowa pasm poślizgów związane są ze strukturą krystaliczną metalu lub stopu oraz z warunkami odkształcenia plastycznego.
Źródła pęknięć zmęczeniowych:
1.Pasma poślizgów, zwykle w zakresie ograniczonej wytrzymałości zmęczeniowej i poniżej granicy zmęczenia.
2.Bliźniaki.
3.Granice ziarn i podziarn, zwykle przy wysokich amplitudach naprężeń i podwyższonej temp.
4.Wtrącenia niemetaliczne.
5.Wydzielenia faz wtórnych.
6.Powierzchnia lub warstwa wierzchnia.
7.granica podziału między rdzeniem i warstwą wierzchnią lub granica podziału między podłożem i powłoką w elementach obrobionych powierzchniowo.
8.Wady pochodzące z procesu produkcyjnego.
Pełzanie jest to proces odkształcania plastycznego związany z bardzo małą szybkością odkształcenia. Podczas pełzania w stałej, wysokiej temp metal ulega odkształceniu plastycznemu pod działaniem prawie stałego naprężenia lub stałego obciążenia, a wielkość zmieniająca się w czasie jest szybkość odkształcania. Przyłożone naprężenia nie przekracza 25% wartości granicy plastyczności w danej temp i dlatego szybkość odkształcenia jest mała. W zależności od temp i naprężenia można wydzielić 3 rodzaje pełzania:
-niskotemp, -wysokotemp, -dyfuzyjne.
Korozja jest to zjawisko niszczenia metali i ich stopów w wyniku elektrochemicznych reakcji z otaczającym środowiskiem. Ze względu na typ reakcji powodującej zniszczenie metalu lub stopów może być dokonany podstawowy podział korozji metali i stopów na elektrochemiczną i chemiczną.
Odmiany korozji:
1.Korozja równomierna polega na niemal jednostajnym na całej powierzchni niszczenia metalu w miarę upływu czasu. Szybkość korozji równomiernej jest podawana w mm/rok lub mg/dm2*doba.
2.Korozja wżerowa charakteryzuje się zróżnicowaniem szybkości niszczenia metalu lub stopu w różnych obszarach jego powierzchni. Stosunek największej głębokości wżerów do głębokości średniej, wynikającej z ubytku masy próbki, nosi nazwę współczynnika korozji żerowej.
3.Korozja selektywna polega na niszczeniu jednej lub kilku faz stopu ze znacznie większą szybkością od szybkości uszkadzania osnowy stopu. W wyniku tego porowata pozostałość zachowuje w prawdzie pierwotny kształt wyrobu, lecz jego wytrzymałość ulega znacznemu zmniejszeniu.
4.Korozja międzykrystaliczna przebiega równie na granicach ziaren metali lub ich stopów postępując z bardzo dużą szybkością i sięgając na dużą głębokość. Korozja ta powoduje nierzadko katastrofalne zniszczenia w wyniku znacznego zmniejszenia wytrzymałość i ciągliwości metalu, bez wyraźnie widocznych zewnętrznie objawów.
5.Korozja naprężeniowa i zmęczeniowa jest ona powodowana jednoczesnym działaniem środowiska korozyjnego i naprężeń rozciągających stałych lub zmiennych. Gdy na metal lub stop poddany stałemu naprężeniu rozciągającemu działa w środowisko korozyjne, występuje korozja naprężeniowa. Naprężenie rozciągające powoduje korozję naprężeniową może być przyłożone z zewnątrz lub być naprężeniem wewnętrznym wywołanym obróbką plastyczną, cieplną lub spawaniem.
Ochrona 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.
Zużycie trybologiczne podział:
-zużycie ścierne, -zużycie adhezyjne, -scuffing, -zużycie z udziałem utleniania, -zużycie zmęczeniowe.
Zużycie ścierne ma miejsce, gdy w obszarach tarcia współpracujących elementów występują utwierdzone albo luźne cząstki ścierniwa, lub wystające nierówności twardego materiału. Zużycie ścierne może następować przez:
-ziarna umocowane we współpracujących powierzchniach,
-luźne pojedyncze ziarn ścierne, w tym także powstające w obszarze tarcia w wyniku utleniania produktów zużycia,
-warstwę ścierną występującą między współpracującymi powierzchniami,
-strumień ścierny,
-ścieranie w środowisku ściernym
Zużycie zmęczeniowe może być:
-powierzchniowe, charakteryzujące się miejscowymi ubytkami warstwy wierzchniej materiału spowodowanymi obciążeniami kontaktowymi,
-objętościowe, związane z tworzeniem się pęknięć zmęczeniowych w wyniku wielokrotnych makroskopowych odkształceń sprężystych oraz wielokrotnych odkształceń sprężystych oraz wielokrotnych odkształceń sprężysto-plastycznych lub plastycznych spowodowanych przez tarcie i wywołujących powierzchniowe pęknięcia zmęczeniowe,
Do rodzaju zużycia zmęczeniowego należą:
-zużycie przez łuszczenie,
-zużycie guzełkowe,
Ogólna charakterystyka procesów wytwarzania produktów.
Proces przetwarzania surowców materiałowych w produkty znany jest wytwarzaniem. Wytwarzanie polega na wykonywaniu produktów z surowców materiałowych w różnych procesach przy użyciu różnych maszyn i operacjach zorganizowanych zgodnie z dobrze opracowanym planem. Proces wytwarzania polega na właściwym wykorzystywaniu zasobów: materiałów, energii, kapitału i ludzi. Współczesne wytwarzanie jest kompleksowe działanie łączącym ludzi, którzy wykonują różne zawody i zajęcia, przy użyciu różnych maszyn, wyposażenia i narzędzi, w różnym stopniu zautomatyzowanym, włączając komputery i roboty. Aspekt techniczny tego działania projektowania produktu łączącego w sobie 3 równie ważne i nierozdzielne elementy:
-projektowanie konstrukcyjne,
-dobór materiałów,
-projektowanie technologiczne,
Studium projektowania inżynierskiego.
1.Polega na opracowaniu koncepcji, połączonym z ogólnym wyspecyfikowanym dostępnych materiałów i procesów technologicznych.
2.Ogólnego projektowanie inżynierskie określa kształt i przybliżoną wielkość elementów, stosując inżynierskie metody analizy. W tym stadium projektant ogólnie typuje klasę stosowanych materiałów oraz rodzaj procesu technologicznego. Własności materiałów należy przy tym określić bardziej precyzyjnie.
3. W stadium szczegółowego projektowania inżynierskiego ostatecznie dobiera się zarówno materiał, jak i proces technologiczny. Dokonuje się wówczas doboru jednego, odpowiedniego materiału oraz najwyżej kilku wariantów procesu technologicznego. Wiąże się to również z podjęciem decyzji dotyczącej tolerancji wymiarowych, optymalizację ze względu na stan wytężenia oraz doborem najlepszego procesu technologicznego z wykorzystaniem metodologii inżynierii jakości oraz symulacji kosztów. W zależności od znaczenia projektowanego elementu, własności materiałów powinny być znane projektantowi bardzo szczegółowo.
Czynniki uwzględniane podczas projektowania inż.
Czynniki funkcjonalne:
1.Specyfikacja parametrów użytkowych:
-określenie potrzeb, -ustalenie ryzyka i konsekwencji jego wymagań, -konsekwencje zawyżonych wymagań.
2.Elementy projektowanie: -podejście probabilistyczne lub deterministyczne, -uwzględnienie naprężeń lub obciążeń, -ograniczenie wymiarów masy lub objętości, -trudne warunki pracy, -przewidywanie możliwych uszkodzeń, -niezawodność, -łatwość konserwacji, -dostępność, -łatwość prowadzenia napraw, -skala produkcji, -analiza wartości.
3.Przeprojektownie: -analiza projektu, -uproszczenia i modernizacje, -alternatywne rozwiązania funkcjonalne.
Projektowanie z uwzględnieniem pełnego cyklu życia:
1.Dobór materiału. 2.Technologiczność. 3.Trwałość.
4.Przystosowanie do recyklingu. 5.Zapotrzebowanie na energie. 6.Powiąznie ze środowiskiem. 7.Badania i próby dla zapewnienia jakości. 8.Transport technologiczny. 9. Konfekcjonowanie i pakowanie. 10.Magazynowanie i spedycja. 11.Wartość złomu.
Inne ważne czynniki w procesie projektowania: 1.Przegląd stanu zagadnienia. 2. Zgodność z normami. 3. Czynniki ludzkie. 4.Estetyka. 5.Koszt.
Klasyfikacja głównych czynników decydujących o doborze procesów wytwarzania produktów.
Bardzo ważnym etapem procesu projektowania inżynierskiego jest dobór procesów wytwarzania produktów ściśle związanych z doborem materiałów na jego elementy. Podstawowym kryterium tych doborów jest maksymalizacja jakości, przy równoczesnej minimalizacji kosztów elementów produktów. Procesy wytwarzania można pogrupować na 9 klas. Pierwotne:
-odlewanie grawitacyjne i ciśnieniowe,
-formowanie polimerów i szkła,
-obróbka plastyczna ,
-metalurgia proszków,
-metody specjalne,
Wtórne:
-obróbka ubytkowa np. toczenie
-obróbka cieplna np. hartowanie
-łączenie np. śrubowe,
-obróbka wykończająca np. czyszczenie
Projektowanie inż. uwzględnia następujące podst. czynniki:
-czynniki materiałowe, -kształtu, -technologiczne.
Główne czynniki decydujące o doborze materiałów do różnych zastosowań.
1.Własności fizyczne: -struktura krystaliczna, -gęstość, -temp topnienia, -prężność pary, lepkość, porowatość.
2.Własności elektryczne: -przewodność, -stała dielektryczne, -natężenie koercji, -histereza.
3.Własności jądrowe: -okres półrozpadu, -przekrój poprzeczny, -stabilność.
4.Własności cieplne: -przewodnictwo, -emisyjność, -absorpcyjność, -ogniotrwałość.
5.Własności mechaniczne: -twardość, -moduł sprężystości, -współczynnik Poissona, -wytrzymałość, -wykruszanie się.
6.Własności chemiczne: -utlenianie, -korozja, -stabilność cieplna, stabilność biologiczna, -kruchość wodorowa.
7.Własności technologiczne: -lejność, -hartowność, -odkształcalność, -skrawalność, -spawalność,
wojtastychy1