Definicja OC

OBRÓBKA CIEPLNA Podstawy teoretyczne Zakres tematyczny 1 Definicja OC Obróbka cieplna jest to zespół zabiegów wywołujących polepszenie właściwości mechanicznych oraz fizyko-chemicznych metali i stopów, powodowanych zmianami mikrostruktury w stanie stałym wwynikuzmian temperatury, czasu oraz działania ośrodka. 2 1

Mechanizmy przewodzenia ciepła Przewodzenie - proces wymiany ciepła między częściami ciała o różnej temperaturze, polegający na przekazywaniu energii ruchu bezładnego cząsteczek w wyniku ich zderzeń. Konwekcja - proces przenoszenia ciepła wynikający z ruchu materii w objętości ciała. Promieniowanie podczerwone ( = 0,7 1000 m ) 3 Pole temperatur T = f ( x, y, z, ) gdzie czas T = f ( x, y, ) pole płaskie T = f ( x, ) pole liniowe T = f ( x, y, z, ) = const. powierzchnia izotermiczna Warunki ustalone T = f ( x, y, z ) 4 2

Gradient temperatury grad T T x i T y j T k z grad T dt dn n 5 Przewodnictwo cieplne Równanie Biot-Fouriera: q - grad T q - wektorgęstości strumienia ciepła - współczynnik przewodności cieplnej 6 3

Przewodnictwo cieplne stali 7 Współczynnik przejmowania ciepła Szczególna postać równania Biot-Fouriera ( =const)dlaścianki płaskiej jednowarstwowej: q T - T T - T T - T s1 s2 1 1 s1 1 i 2 współczynnik przejmowania i oddawania ciepła T 1 i T 2 temperatura ośrodka po obu stronach ścianki T S1 i T S2 temperatura powierzchni ścianki i grubość oraz współczynnik przewodności cieplnej ścianki 2 s2 2 8 4

Współczynnik intensywności chłodzenia Strumień ciepła przekazywany do cieczy: Q A dt dx A pole powierzchni przekroju prostopadłej do kierunku przepływu ciepła x dt dx T 1 T 2 / = h współczynnik intensywności chłodzenia 9 Przewodność temperaturowa (zdolność do wyrównywania się temperatury we wszystkich punktach obiektu) k C p C p ciepło właściwe -gęstość 10 10 5

Całkowity opór cieplny przy przepływie ciepła R e 1 L A A L długość charakterystyczna R opór przejmowania ciepła R opór przewodzenia ciepła Kryterium Biota: Bi R R L h L R średnica w przypadku prętów 11 Mechanizmy przejmowania ciepła przez ośrodki chłodzące 12 6

Szybkość chłodzenia Średnia szybkość chłodzenia V chł. śr ( T T ). 1 2 T T 1 2 1 2 V Szybkość chłodzenia chł. ( T X dt ) d T x 13 Właściwości ośrodków chłodzących Ośrodek chłodzący Wsp. intensywności chłodzenia h [cm -1 ] woda 20ºC 1,0 woda 40ºC 0,7 woda 80ºC 02 0,2 woda destylowana 0,5 woda 20ºC + 1% NaCl 1,5 woda 20ºC + 10% NaCl 3 woda 20ºC + (5 30)% NaOH 2,5 woda 20ºC + 50% NaOH 2,0 woda 95ºC + 50% NaOH 1,0 olej mineralny (20 200ºC) 0,3 Wartości współczynnika intensywności chłodzenia dla różnych ośrodków chłodzących 14 7

OBRÓBKA CIEPLNA Zarys technologii OC 15 Klasyfikacja OC OBRÓBKA CIEPLNA ZWYKŁA temperatura T i czas OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNA CHEMICZNA T, oraz działanie ł i ośrodkaś OBRÓBKA CIEPLNO-PLASTYCZNA (CIEPLNO-MECHANICZNA) T, oraz odkształcenie plastyczne OBRÓBKA CIEPLNO-MAGNETYCZNA T, oraz działanie pola magnetycznego 16 8

Operacja i zabiegi OC Szybkość nagrzewania wsadu Czynniki wpływające na szybkość nagrzewania: - przewodność cieplna, kształt, wymiary y imasaprzedmiotu; - rodzaj ośrodka nagrzewającego; -różnica temperatury pomiędzy piecem a nagrzewanym przedmiotem; - temperatura nagrzewania; - moc pieca i inne... 17 Szybkość nagrzewania wsadu Czynniki wpływające na szybkość nagrzewania: - przewodność cieplna, kształt, wymiary i masa przedmiotu; - rodzaj ośrodka nagrzewającego; -różnica temperaturyt pomiędzy piecem a nagrzewanym przedmiotem; - temperatura nagrzewania; - moc pieca i inne... Sposoby nagrzewania wsadu a) powolne b) przyspieszone c) szybkie nagrzewanie nagrzewanie nagrzewanie Zależność szybkości nagrzewania od rodzaju pieca oraz kształtu i liczby elementów obrabianych 18 9

Atmosfery ochronne - klasyfikacja 19 Obróbka cieplna stopów żelaza 20 10

OC stopów żelaza wykresy CTP OC stopów żelaza 21 OC stopów żelaza - WYŻARZANIE Ujednoradniające 10501200ºC (ok. 100200ºC poniżej temp. solidusu) ograniczenie niejednorodności składu chemicznego wlewków stalowych Rekrystalizujące (T rekr poniżej A c1 ) przywraca stali właściwości plastyczne z przed odkształcania plastycznego Odprężające (poniżej T rekr )usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych oraz spowodowanych przeróbką plastyczną (do 100150ºC w. stabilizujące) Normalizujące (3050º wyżej A c3 ) uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej Zupełne (3050º wyżej A c3, A cm ) uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej (zwyke odlewów staliwnych) Izotermiczne (3050º wyżej A c1 ) odmiana w. zupełnego Sferoidyzujące (zmiękczające) (około A c1 ) zmniejszenie twardości, uzyskanie dobrej skrawalności i podatności do przeróbki plastycznej Grafityzujące rozpad cementytu (żeliwa) 22 11

OC stopów żelaza - HARTOWANIE OBJĘTOŚCIOWE OC stopów żelaza - HARTOWANIE POWIERZCHNIOWE OC stopów żelaza - ODPUSZCZANIE 23 OBRÓBKA CIEPLNA Podatność stali na OC 24 12

Hartowność UTWARDZALNOŚĆ podatność stali na hartowanie, miarą której jest zależność największej, możliwej do uzyskania po hartowaniu, twardości od warunków austenityzowania PRZEHARTOWALNOŚĆ podatność stali na hartowanie wyrażana zależnością przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia 25 Hartowność ŚREDNICA KRYTYCZNA D n - średnica pręta, w którym po hartowaniu w ośrodku o określonej intensywności chłodzenia w osi przekroju poprzecznego uzyskuje się mikrostrukturę złożoną z co najmniej n % martenzytu Metody określania hartowności: -Jominy ego - krzywych U - obliczeniowe D Iw = 0,6(%C) 0,5 exp(-0,816n) D Iw idealna średnica krytyczna %C zawartość węgla w stali (nie większa niż 0,9) N wskaźnik wielkości ziarna austenitu pierwotnego wg skali ASTM 26 13

Metody określania hartowności Metody obliczeniowe D Iw = 0,6(%C) 0,5 exp(-0,816n) D Iw idealna średnica krytyczna %C zawartość węgla w stali (nie większa niż 0,9) N wskaźnik wielkości ziarna austenitu pierwotnego wg skali ASTM 27 OBRÓBKA CIEPLNO-CHEMICZNACHEMICZNA 28 14

Podstawy teoretyczne Klasyfikacja Klasyfikacja OC-Chem - kryteria Podział metod OC-Chem ze względu na rodzaj pierwiastka nasycającego Budowa warstw powierzchniowych Schemat powstawania warstw powierzchniowych w wyniku OC-Chem stali Schemat zmian stężenia pierwiastka nasycającego w warstwie przejściowej Zjawiska fizykochemiczne zachodzące podczas OC-Chem Procesy składowe decydujące o transporcie masy podczas OC-Chem Schemat reakcji zachodzących podczas OC-Chem Adsorpcja Schemat działania sił adsorpcji 29 Zjawiska fizykochemiczne zachodzące podczas OC-Chem Dyfuzja I prawo Ficka J D strumień dyfuzji współczynnik dyfuzji D = D 0 exp(-q/kt) dc/dx gradient stężenia pierwiastka dyfundującego II prawo Ficka 30 15

Zjawiska fizykochemiczne zachodzące podczas OC-Chem Dyfuzja Mechanizmy dyfuzji w kryształach: - wakansowy, -międzywęzłowy, ł - bezpośredniej wymiany, -pierścieniowy, -międzywęzłowo-węzłowy, -węzłowo- szeregowy Kierunki dyfuzji atomów: wzdłuż powierzchni, wzdłuż granic ziarn oraz przez ziarna 31 Literatura: 1. Dobrzański L. A.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo. WNT, Warszawa 2002 32 16