PIERWSZE-KOLOKWIUM-Z-OCIPU.doc

Pierwsze kolokwium z ‘Obróbki cieplnej i powierzchniowej’.

KOLOWKIUM  Z OCIPu

1. Narysować i opisać fazowo układ równowagi Fe-Fe3C
2. Podać definicję i własności faz występujących w układzie Fe-Fe3C
3. Narysować i opisać strukturalnie układ równowagi Fe-Fe3C
4. Podać definicje i własności struktur występujących w układzie Fe-Fe3C
5. Narysuj ogólny schemat obróbki Cieplnej i zaznacz podstawowe zabiegi.
6. Klasyfikacja rodzajów obróbki Cieplnej
7. Przemiana perlityczna
8. Przedstaw wykreślnie zależność wielkości ziarna stali od temperatury.
9. Sposób przeprowadzenia i cel następujących rodzajów wyżarzania: ujednorodniającego, normalizującego, zupełnego, zmiękczającego, rekrystalizującego, odprężającego.
10. Na czym polega hartowanie stali?
11. Podaj cel i rodzaje hartowania.
12. Definicja i własności martenzytu.
13. Cechy przemiany martenzytycznej.
14. Definicja i własności bainitu.
15. Cechy przezmiany bainitycznej.
16. Narysuj i opisz wykres CTPc lub CTPi dla stali: podeutektoidalnej, eutektoidalnej, nadeukttektoidalnej.
17. przemiany zachodzące podczas odpuszczania stali.
18. Rodzaje odpuszczania.
19. Co to jest ulepszanie cieplne?
20. Podaj definicje hartowności i utwardzalności.
21. Czynniki wpływające na hartowność
22. Badanie hartowności metodą hartowania od czoła(Jominy'ego)

1. Narysować i opisać fazowo układ równowagi Fe-Fe3C

     (fazy są trzy: ferryt, austenit i cementyt)

2. Podać definicję i własności faz występujących w układzie Fe-Fe3C

    (fazy są trzy: ferryt, austenit i cementyt)                     4.

3. Narysować i opisać strukturalnie układ równowagi Fe-Fe3C

     (struktura układu żelazo węgiel to fazy + perlit, ledeburyt, trzy rodzaje cementytu)

4. Podać definicje i własności struktur występujących w układzie Fe-Fe3C

              Ferryt jest granicznym międzywęzłowym roztworem stałym węgla w żelazie α o strukturze A2 Rozpuszczalność węgla w ferrycie zmienia się od 0 do 0,0218 przy temperaturze eutektoidalnej 723°C. Ferryt jest materiałem miękkim i ciągliwym, mniej wytrzymałym i mniej twardym, ale bardziej plastycznym niż austenit. Wykazuje właściwości ferromagnetyczne do temperatury Curie wynoszącej 768 °C, w której przechodzi w odmianę paramagnetyczną.

Austenit jest miedzy węzłowym granicznym roztworem stałym węgla w żelazie γ o strukturze A3. Rozpuszczalność C w Fe γ jest znacznie większa niż ferrytu i wynosi do 2,11% w temperaturze przemiany eutektycznej 1148°C. Austenit jest trwalszy niż ferryt. Ma większą wytrzymałość na rozciąganie - jest  mniej plastyczny niż ferryt. O znacznej twardości. Jest paramagnetykiem.

Cementyt jest fazą międzymetaliczną o strukturze złożonej. Jest to węglik  żelaza Fe3C. Do temperatury 210°  jest ferromagnetykiem. Wyróżnia się 3 rodzaje cementytu (w zależności od warunków powstania) : Cementyt pierwotny (krystalizuje z cieczy), cementyt III rzędowy (wydziela się z austenitu przy zmniejszaniu zawartości C) oraz cementyt wtórny (wydziela się w skutek zmieniającej się rozpuszczalności C w ferrycie). Cementyt jest materiałem twardym i kruchym, posiada strukturę krystaliczną rombową, jest fazą metastabilną o zawartości węgla do 6,67%. Jest fazą odporną chemicznie. Posiada liczne wiązania metaliczne, co sprawia, że posiada własności metaliczne.

Perlit jest to mieszanina eutektoidalna ferrytu oraz cementytu (0,77%C) Powstaje podczas przemiany eutektoidalnej w temperaturze 727°C.

Ledeburyt jest to mieszanina eutektyczna austenitu oraz cementytu (4,3%C) Ledeburyt powstaje w krzepnącym ciekłym roztworze żelaza z węglem, gdy zawartość węgla jest w granicach 2,06% – 6,67%, w temperaturze 1147 °C. Ledeburyt jest stabilny do temperatury 727 °C, poniżej której rozpada się austenit.

Ledeburyt przemieniony jest to mieszanina eutektoidalna cementytu i perlitu ( do 6,67%C)Ledeburyt przechodzi wtedy w tzw. ledeburyt przemieniony. Staje się wtedy podwójną eutektyką. Pierwotnie występujący w niej cementyt, zachowuje swą formę, a austenit rozpada się na mieszaninę perlitu i cementytu.

5. Narysuj ogólny schemat obróbki Cieplnej i zaznacz podstawowe zabiegi.
 

Schemat  ilustrujący przebieg obróbki cieplnej w funkcji temperatury i czasu.

6. Klasyfikacja rodzajów obróbki Cieplnej

7. Przemiana perlityczna

Przemiana perlityczna  przemiana fazowa (termiczna) austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia stali (poniżej temperatury 727 °C) nagrzanej do temperatury austenitu. Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu poniżej temperatury Arl (alotropowej). Jest to przemiana dyfuzyjna, związana z przegrupowaniem atomów węgla, zachodząca przez zarodkowanie i wzrost zarodków; zarodkowanie heterogeniczne na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziaren; kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu. (wikipedia)

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temperatury Ac1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Siłą pędną przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzącą przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie, czyli w sposób uprzywilejowany, na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednorodnym austenicie – na granicach ziarn tej fazy. Wzrost płytki cementytu bogatej w węgiel powoduje znaczne zmniejszenie stężenia węgla w austenicie do wartości C umożliwiającej powstanie płytki ferrytu. W wyniku ograniczonej rozpuszczalności węgla w ferrycie jego nadmiar wzbogaca austenit w pobliżu utworzonej płytki ferrytu, umożliwiając tworzenie kolejnej płytki cementytu. Proces kolejnego dobudowywania płytek trwa aż do wyczerpania się austenitu.    (Dobrzan)

Można wyróżnić dwa produkty tej przemiany w zależności od temperatury jej przebiegu:
temperatura 727-680 - Perlit gruby;  temperatura 680-500 - Perlit drobny.

8. Przedstaw wykreślnie zależność wielkości ziarna stali od temperatury.

Przekroczenie temperatury przemiany Ac1 zaznacza się raptownym zmniejszeniem ziarn to znaczy nowo powstałe ziarna austenitu są zawsze bardzo drobna i w zasadzie ich wymiary nie zależą od wielkości ziarn perlitu, z którego utworzył się austenit. Rozdrobnienie ziarna austenitu w czasie przemiany jest związane z tworzeniem się dużej liczby zarodków nowych ziarn na olbrzymiej i bardzo rozwiniętej powierzchni granicznej między ferrytem i cementytem. Dalsze nagrzewanie (lub wygrzewanie) po dokonanej przemianie wywołuje rozrost ziarn

Zjawisko rozrostu ziarn jest procesem samorzutnym, gdyż jego następstwem jest zmniejszenie łącznej powierzchni ziarn skutkiem zmniejszającej się energii powierzchniowej i wysokiej temperatury zapewniają dostatecznie szybki przebieg tego procesu.

W praktyce rozróżnia się dwa typy stali stale wykazujące skłonność do rozrostu ziarn austenitu, który zaczyna się po niewielkim przekroczeniu temperatury Ac1 — stale te nazywamy gruboziarnistymi; stale nie mające skłonności do rozrostu ziarn austenitu bezpośrednio po przekroczeniu temperatury Ac1 W stalach tych ziarno zaczyna się rozrastać dopiero po nagrzaniu ich do temperatury ok. 1000°C. Zbyt wysokie i długotrwałe wygrzewanie stali podczas austenityzowania powoduje więc rozrost ziarn austenitu. Z kolei wielkość ziarna perlitu zależy od wyjściowej wielkości ziarna austenitu, z którego powstał perlit. Im większe są ziarna austenitu, tym większe tworzą się na ogół ziarna perlitu. Powstanie struktury gruboziarnistej jest niepożądane, gdyż stal taka

charakteryzuje się niższą wytrzymałością i udarnością. Dlatego w czasie austenityzowania stali skłonnych do rozrostu ziarna należy ściśle przestrzegać określonych temperatury i czasu grzania.

9. Sposób przeprowadzenia i cel następujących rodzajów wyżarzania: ujednorodniającego, normalizującego, zupełnego, zmiękczającego,

Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi.

Zakres temperatury wyżarzania stali

na tle wykresu równowagi Fe-Fe3C

Wyżarzanie z przemianą fazową:

•          przegrzewające (2),

•          normalizujące, zupełne (3, 4),

•          zmiękczające (sferoidyzujące) (5).

Wyżarzanie bez przemiany fazowej:

•          ujednorodniające  (1),

•          rekrystalizujące (6),

•          odprężające (7),

stabilizujące (8).

Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do linii solidus (1050÷1200°C o ok. 100÷200°C), wygrzewaniu w tej temperaturze aż do zajścia dyfuzji i wyrównaniu składu chemicznego oraz chłodzeniu.  Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją.

                Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn 30-50°C powyżej linii GSE (o 30÷50°C wyższej od Ac3) i następnie studzeniu na wolnym powietrzu, w celu rozdrobnienia ziarn i ujednoliceniu struktury. Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury

drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali. Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa – często przed dalszą obróbką cieplną – w celu ujednolicenia struktury.

              Wyżarzanie zupełne prowadzi do wytworzenia struktury zbliżonej do stanu równowagi. Wyżarzanie zupełne, stosowane do stali stopowych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3, Accm (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np. z piecem, w zakresie temperatury między Ac3 i Accm a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu. Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości i naprężeń wewnętrznych oraz zwiększenie ciągliwości stali. 

              Wyżarzanie sferoidyzujące zwane również zmiękczającym, polega na przemianie cementytu płytkowego w kulkowy, co prowadzi do zmniejszania twardości stali i polepszeniu obrabialności mechanicznej. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco wyższej lub nieco niższej od temperatury Ac1, a także z wytrzymaniem izotermicznym poniżej temperatury Ac1, po uprzednim krótkim wygrzewaniu w temperaturze wyższej od Ac1. W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego strukturę stali stanowi cementyt kulkowy, tzw. sferoidyt, w osnowie ferrytu. Struktura taka zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno. Jest także prawidłową strukturą stali nadeutektoidalnych przed następnym hartowaniem.

              Wyżarzanie rekrysltylizujące stosowanie po uprzednim zgniocie, przeprowadza się w temperaturze poniżej Ac1, ale powyżej temperatury rekrystalizacji w celu usunięcia skutków zgniotu. Wyżarzanie rekrystalizujące polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu, co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.

              Wyżarzanie odprężające- polega na wygrzaniu wyrobów do temperatury poniżej Ac1 (zwykle poniżej 650ºC), wygrzaniu w tej temperaturze a następnie studzeniu. Celem obróbki jest zmniejszenie naprężeń wewnętrznych bez wywołania zmian strukturalnych. Wyżarzanie odprężające polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych. Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest szeroki; parametry te zależą od rodzaju materiału ...