Nauka o materiałach. Temat 4. Metody umacniania metali. Definicja

Transkrypt

1 Temat 4 Nauka o materiałach Metody umacniania metali Definicja Obróbka cieplna polega na nagrzaniu wygrzaniu i ostudzeniu stali w celu wprowadzenia zmian strukturalnych skutkujących zmianą właściwości mechanicznych

2 Schemat obróbki cieplnej wg: L. Dobrzański

3 Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej OBRÓBKA CIEPLNA ZWYKŁA WYŻARZANIE ULEPSZANIE CIEPLNE UMACNIANIE WYDZIELENIOWE z przemianą alotropową bez przemiany alotropowej hartowanie przesycanie objętościowe ujednorodniające rekrystalizujące powierzchniowe normalizujące i zupełne odprężające martenzytyczne bainityczne starzenie sferoidyzujące stabilizujące odpuszczanie wg: L. Dobrzański

4

5

6 Rodzaje wyżarzania wg M. Blicharski

7 KLASYFIKACJA ZABIEGÓW OBRÓBKI CIEPLNEJ Wyżarzanie Wyżarzanie jest to zabieg obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wytrzymaniu przy tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tego zabiegu jest przybliżenie stanu stopu do warunków równowagi. Wyżarzanie ujednoradniające Cel wyżarzania: Zmniejszenie niejednorodności składu chemicznego. Stosowane głównie dla wlewków. Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury o C, (ok o C poniżej temperatury początku nadtopień, czyli linii solidus), wygrzanie i następne studzenie.

8 Wyżarzanie ujednoradniające Przekrój wlewka 1- strefa kryształów zamrożonych 1 strefa kryształów słupkowych 3- strefa kryształów wolnych 4- jama skurczowa

9 Normalizacja Wyżarzanie normalizujące Cel wyżarzania: Uzyskanie struktury zgodnej z warunkami równowagi Wykonuje się w celu: Zmniejszenia wielkości ziarna Uzyskania jednakowej struktury w odlewach i spoinach Usunięcia skutków wcześniejszych obróbek cieplnych Stosowane głównie dla stali podeutektoidalnych. Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury o C, powyżej linii austenityzacji, wygrzanie i studzenie w spokojnym powietrzu. Dla stali nadeutektoidalnych stosuje się czasami tzw. normalizowanie zupełne

10 NORMALIZACJA Schemat zmian wielkości ziarna stali w wyniku nagrzewania do temperatury wyższej od Ac1 i następnego chłodzenia Schemat rozrostu ziaren austenitu utworzonego podczas nagrzewania stali eutektoidalnej wg: L. Dobrzański

11 NORMALIZACJA

12 Normalizacja Zmiana wielkości ziarna

13 Sferoidyzacja Wyżarzanie sferoidyzujące Cel wyżarzania: Zmniejszenie twardości wskutek zmiany kształtu wydzieleń cementytu na sferoidalny. Wykonuje się przed obróbką plastyczną Wyżarzanie to nazywane jest również wyżarzaniem zmiękczającym. Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury zbliżonej do 727 o C, wygrzanie i następne bardzo wolne chłodzenie do 600 o C. Dalsze studzenie może być dowolne. Wygrzewanie może również być wykonane wahadłowo wokół temperatury 727 o C, (ok. ±20 o C).

14 Procesy sferoidyzacji temperatura 727 temperatura Czas h Czas h

15 SFEROIDYT

16 Właściwości stali po sferoidyzacji Wpływ cementytu płytkowego w perlicie i cementytu kuleczkowego w sferoidycie na twardość (a) i udarność (b) stali. Zawartości cementytu i perlitu podane są w procentach objętościowych wg M. Blicharski

17 Wyżarzanie poniżej 727 o C REKRYSTALIZACJA Wyżarzanie rekrystalizujące Cel wyżarzania: Stosowane dla stali odkształconej plastycznie na zimno, celem spowodowania rekrystalizacji. Wykonuje się po lub pomiędzy etapami obróbki plastycznej Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji; 600 o C wygrzanie i następne chłodzenie z dowolną szybkością.

18 Deformacja plastyczna

19 WŁAŚCIWOŚCI METALU PO ZGNIOCIE Zmiany właściwości metalu w funkcji temperatury wyżarzania po odkształceniu plastycznym: 1 naprężenia, 2 wielkość ziarna, 3 wytrzymałość na rozciąganie, 4 wydłużenie wg M. Blicharski

20 Rekrystalizacja MIEDŹ

21 REKRYSTALIZACJA

22 Wyznaczanie temperatury rekrystalizacji Twardość Tr Temperatura C Tr Właściwa temperatura rekrystalizacji

23 ZGNIOT KRYTYCZNY Wpływ stopnia zgniotu na wielkość ziarn aluminium po wyżarzaniu rekrystalizującym Al 99,5%; temperatura - 550ºC; czas wygrzewania - 1h Zgniot krytyczny przeważnie w przedziale 2-12%, powoduje po rekrystalizacji szczególnie gruboziarnistą strukturę. Z tego powodu projektując obróbkę plastyczną wyrobów, które będą podlegać rekrystalizacji, należy unikać odkształcenia krytycznego. Przyczyną silnego rozrostu ziarna jest mała ilość zarodków rekrystalizacji. Po gniocie mniejszym od krytycznego rekrystalizacja nie zachodzi, ponieważ odkształcenie było zbyt małe do wytworzenia zarodków rekrystalizacji

24 ZGNIOT Wpływ stopnia zgniotu i temperatury rekrystalizacji na wielkość ziaren żelaza

25 Wyżarzanie odprężające Wyżarzanie odprężające i stabilizujące Cel wyżarzania: Usunięcie naprężeń; odlewniczych, spawalniczych, cieplnych oraz spowodowanych przeróbką plastyczną na zimno. Nie wiąże się ze zmianami struktury stali. Sposób wykonania: Nagrzanie stali do temperatury niższej od Ac o C, wygrzanie i następne powolne studzenie. 500 o C 300 o C 200 o C

26 Temperatura C ULEPSZANIE CIEPLNE HARTOWANIE + ODPUSZCZANIE PODSTAWOWE PRZEMIANY W STALI NAGRZEWANIE 1. PERLIT-AUSTENIT CHŁODZENIE Austenit 2. AUSTENIT-PERLIT 3. AUSTENIT-BAINIT 4. AUSTENIT-MARTENZYT Perlit 4 Martenzyt Bainit Perlit Czas

27 PRZEMIANY RÓWNOWAGOWE - WYŻARZANIE Przemiana PERLIT- AUSTENIT Przemiana AUSTENIT-PERLIT wg M. Blicharski

28 Przemiana AUSTENIT-BAINIT wg M. Blicharski

29 Przemiana AUSTENIT-MARTENZYT wg M. Blicharski

30 Ferryt i perlit Austenit Bainit

31 Austenit Martenzyt

32 Sieciowa komórka elementarna martenzytu Zależność między siecią regularną ściennie centrowaną austenitu a siecią tetragonalną przestrzennie centrowaną martenzytu wg: L. Dobrzański

33 PRZEKSZTAŁCENIE BAINA Schemat udziału ścinania w przemianie martenzytycznej: a) przez poślizg, b) przez bliźniakowanie Relief powierzchni powstający w wyniku przemiany martenzytycznej wg: L. Dobrzański

34 PRZEMIANY PRZY PRZECHŁODZENIU EKSPERYMENT CTPI

35 Temperatura Konstrukcja wykresów CTPi Czas Temperatura Przemiana war. izotermiczne Początek rozpadu austenitu Austenit Koniec rozpadu austenitu Perlit log czas

36 CTP- to wykresy obrazujące proces ochładzania próbek stali przy kilku różnych przechłodzeniach i rejestrowanie punktów początkowego i końcowego rozpadu austenitu (przykładowo przy pomocy metody dylatacyjnej polegającej na precyzyjnym pomiarze długości próbki) Otrzymany zbiór punktów podczas tak przeprowadzonego procesu dla jego początku i końca nanosi się na wykres, którego nazwa to CTPi (izotermiczny). Następnie chłodzi się próbki do temperatury otoczenia i mierzy twardość, którą także umieszcza się na wykresie CTPi

37 wg M. Blicharski

38 RZECZYWISTE WYKRESY CTPc Wykres CTPc stali eutektoidalnej

39

40 Stal węglowa gat. 45, C45

41 TEST EGZAMIN zag Jaką przemianę i jaki rodzaj obróbki cieplnej przedstawia wybrana krzywa (jedna z 8) na wykresie CTP Przemiana Austenit Martenzyt Austenit Bainit Austenit Ferryt+Bainit Austenit Perlit+Ferryt Austenit Martenzyt izotermiczna Austenit Nanobainit Austenit Perlit drobny Austenit Perlit gruby Rodzaj obróbki cieplnej Normalizacja Hartowanie bainityczne Hartowanie zwykle Patentowanie Rozpad austenitu na ferryt i bainit Wyżarzanie nanobainityczne Izotermiczny rozpad austenitu na ferryt i perlit Hartowanie stopniowe

42 Wpływ węgla dodatków stopowych na Vk Vk 1600 Vk 1200 Co V Cr,W,Ni 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Zawartość węgla %C 50 0 Mn % Zawartość dodatków stopowych STAL C20 C50 40Cr4 Skład: 0,2%C 0,5%C 0,4%C+1%Cr+0,7%Mn Temp. hart Vk 1600ºC/s 400ºC/s 50ºC/s Czas chłodzenia 0,5s 2s 16s

43 Średnica krytyczna D50 Gatunek stali D50 woda D50 olej PN PN-EN mm mm 35 C C SG 38Si H 41Cr HN 42CrMo HGS 35CrSi HN2MFA 30NiCrMoV H2N2M 30CrNiMo

44 TEMPERATURA HARTOWANIA wg M. Blicharski

45 OŚRODKI CHŁODZĄCE Zdolność chłodząca a-wody spokojnej, b - wody z cyrkulacją, c 15% wodnego roztworu NaCl, d oleju hartowniczego OH 70 świeżego, e - oleju hartowniczego OH 70 zużytego, f emulsji wodno-olejowej zawierającej 10% oleju. wg: L. Dobrzański

46 AUSTENIT SZCZĄTKOWY Austenit szczątkowy wg: L. Dobrzański

47 WPŁYW ZAWARTOŚCI WĘGLA NA MS I MF

48 TWARDOŚĆ STALI PO ZAHARTOWANIU a - twardość martenzytu, b twardość stali zahartowanej z temp od C powyżej aystenityzacji, c powyżej temp Acm

49 SPOSOBY HARTOWANIA A. Hartowanie ciągłe B. Hartowanie stopniowe C. Hartowanie bainityczne ( struktura nanobainityczna)

50 WPŁYW PIERWIASTKÓW STOPOWYCH NA KSZTAŁT KRZYWYCH CTP

51 PATENTOWANIE DRUTU 500 PATENTOWANIE 400 Obróbka cieplna PATENTOWANIE, polegające na przelotowym nagrzaniu drutu do temperatury C, a następnie chłodzeniu w ołowiu w temperaturze C. Obróbka plastyczna polega na ciągnieniu drutu, w wyniku którego powstaje zgniot powodujący wzrost wytrzymałości na rozciąganie. Cynkowanie drutu ma na celu jego ochronę przed korozją.

52 ODPUSZCZANIE ODPUSZCZANIE WYSOKIE w temperaturze w zakresie 500 C Ac1, które ma na celu uzyskanie bardzo wysokiej udarności przy możliwie jeszcze dobrej wytrzymałości. ODPUSZCZANIE ŚREDNIE w temperaturze w zakresie C, które ma na celu uzyskanie wysokiej sprężystości przy dostatecznej udarności oraz utrzymanie wysokiej wytrzymałości ODPUSZCZANIE NISKIE w temperaturze w zakresie C, które ma na celu usunięcie, a przynajmniej zmniejszenie naprężeń hartowniczych przy nieznacznym polepszeniu plastyczności z jednoczesnym zachowaniem wysokiej twardości i wytrzymałości

53 ODPUSZCZANIE

54 WŁAŚCIWOŚCI STALI PO ODPUSZCZANIU

55 Martenzyt Sorbit

56 TWARDOŚĆ PO ODPUSZCZANIU HRC ,8%C 0,5%C 0,3%C Temperatura odpuszczania wg: L. Dobrzański

57 BADANIE HARTOWNOŚCI STALI 1 - zbiornik z wodą, 2 - wanna, 3 - zawór, 4 - dysza wodna, 5 - przesłona, 6 - uchwyt próbki, 7 - próbka

58

59 TEST EGZAMIN zag Jaki wpływ na właściwości stopu wywołuje następujący proces obróbki cieplnej wyżarzanie normalizujące wyżarzanie sferoidyzujące wyżarzanie rekrystalizujące wyżarzanie ujednoradniające hartowanie odpuszczanie wysokie patentowanie przesycanie starzenie odprężanie lub stabilizowanie modyfikacja struktury odlewu przeróbka plastyczna odlewanie Wzrost twardości Zmniejszenie wielkości ziarna Wydzielenie faz wtórnych Zwiększenie naprężeń wewnętrznych Zmniejszenie twardości Wydzielenie faz o kształcie kulistym Przemiana sieci krystalograficznej Zmiana kształtu ziaren Zwiększenie plastyczności Zwiększenie udarności Wydzielenie drobnych płytek cementytu Rozdrobnienie ziaren Zmniejszenie naprężeń wewnętrznych Wyrównanie składu chemicznego

60 PRĘT

61 Umacnianie wydzieleniowe Przesycanie Starzenie

62 Fragment typowego wykresu równowagi stopów Al z zaznaczeniem zakresów stężenia stopów do obróbki plastycznej, umacnianych zgniotem i utwardzanych wydzieleniowo, oraz stopów odlewniczych

63 Układ równowagi Al.-Cu Na rysunku przedstawiono fragment wykresu równowagi Al Cu od strony aluminium. Od strony Al występuje roztwór stały ω o ograniczonej rozpuszczalności 5,65% Cu w temperaturze eutektycznej 548 C, zmniejszającej się poniżej 0,5% Cu wraz z obniżeniem temperatury do pokojowej. Eutektyka występuje przy stężeniu 33% Cu i jest złożona z roztworu stałego granicznego ω oraz fazy międzymetalicznej CuAl 2 (Θ). Charakter linii solidus o zmiennej rozpuszczalności Cu w roztworze ω umożliwia zastosowanie obróbki cieplnej stopów Al Cu polegającej na przesycaniu i starzeniu.

64

65 Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w stopach aluminium z miedzią

66 Przesycanie i starzenie stopów aluminium

67 Umacnianie wydzieleniowe Odkryte w 1938 r. przez A.Guiniera i G.D.Prestona

68

69

70 Umacnianie wydzieleniowe Schemat różnych stadiów starzenia stopu Al Cu: a) faza ω(αal), b) strefa GP, c) faza przejściowa Θ, d) faza równowagowa Θ(CuAl2) (według E. Guiniera i G.D. Prestona)

71 Wpływ temperatury i czasu starzenia na twardość stopu Al z dodatkiem 4% Cu (według A.P. Gulajewa)

72 Oddziaływanie omijające mechanizm Orowana

73

74 Koherętne granice międzyfazowe Umocnienie wydzieleniowe przez małe odkształcalne cząstki koherentne (i półkoherentne) powstałe w wyniku starzenia przesyconych roztworów stałych słabe przeszkody dla ruchu dyslokacji

75 Oddziaływanie dyslokacji z wydzieleniami podczas starzenia stopu Al-Cu

76 Granica plastyczności stopów Al umacnianych wydzieleniowo PN-79/H ASTM SKŁAD CHEMICZNY Gatunek Oznaczenie Si Cu Mg Mn Zn Ti Inne AlCu4MgSi PA6N ,5 4,4 0,4 0, AlCu4Mg1 PA7N ,3 4,5 1,5 0,6-0,1 - AlMn1 PA1N ,3 0,2-1, AlMg3 PA11N ,3-2, ,3%Cr AlMg1SiCu PA10N ,6 0,25 1, ,2%Cr AlZn6Mg2Cu2 PA ,6 2,5 0,2 5,6-0,15%Cr Stop Oznaczenie wg ANSI Skład chemiczny [% wagowe] Wolne chłodzenie R e [MPa] Przesycanie i starzenie 2000 Al + 4Cu + Mg, Si, Mn Al. + 0,5Mg, 0,5Si Al. + 6Zn + Mg, Cu

77 Zjawisko nawrotu Schemat zmiany wytrzymałości Rm stopu Al-4%Cu na skutek starzenia i nawrotu wywołanej krótkotrwałym nagrzewaniem do temperatury 230 C

78 Wyżarzanie stopów aluminium Stopy aluminium można poddawać następującym rodzajom wyżarzania: wyżarzaniu ujednorodniającemu,, Wyżarzanie ujednorodniające przeprowadza się głównie w celu ujednorodnienia struktury, zwłaszcza odlewów. Polega ono na nagrzaniu stopu do temperatury, w której ma on strukturę roztworu stałego, wygrzaniu w tej temperaturze przez dłuższy okres czasu (2 12 godzin) i następnie powolnym chłodzeniu. wyżarzaniu zmiękczającemu Wyżarzanie zmiękczające ma na celu zmniejszenie twardości i polepszenie plastyczności stopu poprzez koagulację wydzielonych faz. Przeprowadza się je w zakresie temperatur leżących poniżej krzywej granicznej rozpuszczalności. W praktyce stopy aluminium w zależności od składu wyżarza się w temperaturze C przez 2 3 godziny. Stopy wyżarzone zmiękczająco mają niższą twardość i wytrzymałość niż stopy przesycone. Wysoka plastyczność stopów uzyskana w wyniku wyżarzania ułatwia ich walcowanie, kucie i inne rodzaje przeróbki plastycznej na zimno. wyżarzaniu rekrystalizującemu Wyżarzanie rekrystalizujące przeprowadza się w celu usunięcia niektórych skutków zgniotu zwykle w temperaturze nieco wyższej od temperatury rekrystalizacji ( C). Wyżarzanie to przeprowadza się jako zabieg międzyoperacyjny w czasie obróbki plastycznej na zimno lub jako zabieg końcowy, należy jednak pamiętać, że w niektórych przypadkach może ono spowodować nadmierny rozrost ziaren, np. gdy nastąpił zgniot krytyczny lub gdy temperatura wyżarzania była zbyt wysoka, względnie gdy czas wyżarzania był zbyt długi. wyżarzaniu odprężającemu. Wyżarzanie odprężające ma na celu usunięcie naprężeń własnych, zwłaszcza w odlewach kokilowych. Temperatura wyżarzania wynosi, zależnie od gatunku stopu, C. Po wyżarzaniu stosowane jest powolne chłodzenie.

79 TEST EGZAMIN zag Jak nazywa się struktura uzyskana po następującej obróbce wyżarzanie normalizujące wyżarzanie sferoidyzujące wyżarzanie rekrystalizujące wyżarzanie ujednoradniające przeróbka plastyczna odlewanie kokilowe hartowanie odpuszczanie patentowanie przesycanie starzenie odprężanie lub stabilizowanie modyfikacja struktury żeliwa Nazwa struktury Martenzyt Ferryt i perlit Sferoidyt Bainit Wydzielenia grafitu Perlit drobny Perlit drobnoziarnisty Wydzielenia Guiniera-Prestona Roztwór stały przesycony Sorbit Perlit gruboziarnisty Tekstura zgniotu Struktura dendrytyczna Struktura zbliźniaczona Likwacja strefowa zaznacz

80 WPŁYW DODATKÓW STOPOWYCH wg: L. Dobrzański

81 wg M. Blicharski

82

83 Rola dodatków stopowych Zestawienie składów chemicznych niektórych węglików prostych i izomorficznych z nimi węglików występujących w stalach szybkotnących Pierwiastki przejściowe cechujące się dużym powinowactwem chemicznym do węgla, szczególnie Cr, W, Mo, V, Ti, Nb oraz Fe, tworzą w stalach fazy międzywęzłowe: węgliki o strukturach złożonych, tj. M3C, M23C6, M7C3, M6C, oraz węgliki o strukturach prostych MC i M2C (gdzie M oznacza jeden lub kilka pierwiastków metali przejściowych wg: L. Dobrzański

84 Wpływ pierwiastków stopowych na własności stali i stopów żelaza Schemat wpływu pierwiastków stopowych a) austenitotwórczych, b) ferrytotwórczych, c) sprzyjających przemianie eutektoidalnej na charakter wykresów równowagi żelaza z tymi pierwiastkami

85 Wpływ dodatków stopowych na twardość odpuszczania Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość stali szybkotnących wg: L. Dobrzański

86 WYKRESY CTPI - CTPC wg M. Blicharski

87 WYKRES CTPI DLA STALI PODEUTEKTOIDALNEJ

88 wg: L. Dobrzański