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
Schemat obróbki cieplnej wg: L. Dobrzański
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
Rodzaje wyżarzania wg M. Blicharski
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 1050 1250 o C, (ok. 100-200 o C poniżej temperatury początku nadtopień, czyli linii solidus), wygrzanie i następne studzenie.
Wyżarzanie ujednoradniające Przekrój wlewka 1- strefa kryształów zamrożonych 1 strefa kryształów słupkowych 3- strefa kryształów wolnych 4- jama skurczowa
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 30-50 o C, powyżej linii austenityzacji, wygrzanie i studzenie w spokojnym powietrzu. Dla stali nadeutektoidalnych stosuje się czasami tzw. normalizowanie zupełne
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
NORMALIZACJA
Normalizacja Zmiana wielkości ziarna
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).
Procesy sferoidyzacji temperatura 727 temperatura 12 24 48 Czas h 727 24 Czas h
SFEROIDYT
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
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.
Deformacja plastyczna
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
Rekrystalizacja MIEDŹ
REKRYSTALIZACJA
Wyznaczanie temperatury rekrystalizacji Twardość Tr Temperatura C Tr Właściwa temperatura rekrystalizacji
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
ZGNIOT Wpływ stopnia zgniotu i temperatury rekrystalizacji na wielkość ziaren żelaza
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 Ac1 150-500 o C, wygrzanie i następne powolne studzenie. 500 o C 300 o C 200 o C
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 1 3 2 Perlit 4 Martenzyt Bainit Perlit Czas
PRZEMIANY PRZY PRZECHŁODZENIU EKSPERYMENT CTPI
PRZEMIANY RÓWNOWAGOWE - WYŻARZANIE Przemiana PERLIT- AUSTENIT Przemiana AUSTENIT-PERLIT wg M. Blicharski
Przemiana AUSTENIT-BAINIT wg M. Blicharski
Przemiana AUSTENIT-MARTENZYT wg M. Blicharski
Ferryt i perlit Austenit Bainit
Austenit Martenzyt
Sieciowa komórka elementarna martenzytu Zależność między siecią regularną ściennie centrowaną austenitu a siecią tetragonalną przestrzennie centrowaną martenzytu wg: L. Dobrzański
PRZEKSZTAŁCENIE BAINA Schemat udziału ścinania w przemianie martenzytycznej: a) przez poślizg, b) przez bliźniakowanie Relief powierzchni powstający w wyniku przemiany martenzytycznej wg: L. Dobrzański
wg M. Blicharski
TEST EGZAMIN zag. 13 13. 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
Wpływ węgla dodatków stopowych na Vk Vk Vk 1600 1200 Co 1000 800 800 V 600 400 400 200 200 100 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Zawartość węgla %C 100 50 0 Cr,W,Ni Mn 0 1 2 3 4 5 6 % Zawartość dodatków stopowych
Średnica krytyczna D50 Gatunek stali D50 woda D50 olej PN PN-EN mm mm 35 C35 10 3 45 C45 15 5 35SG 38Si7 40 30 40H 41Cr4 60 40 45HN 42CrMo4-3 75 45 35HGS 35CrSi6-4 120 90 30HN2MFA 30NiCrMoV8-4-3-2 195 165 30H2N2M 30CrNiMo8-8-3 290 265
RZECZYWISTE WYKRESY CTPc Wykres CTPc stali eutektoidalnej
Stal węglowa gat. 45, C45
TEMPERATURA HARTOWANIA wg M. Blicharski
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
AUSTENIT SZCZĄTKOWY Austenit szczątkowy wg: L. Dobrzański
WPŁYW ZAWARTOŚCI WĘGLA NA MS I MF
TWARDOŚĆ STALI PO ZAHARTOWANIU a - twardość martenzytu, b twardość stali zahartowanej z temp od 30-50 C powyżej aystenityzacji, c powyżej temp Acm
SPOSOBY HARTOWANIA A. Hartowanie ciągłe B. Hartowanie stopniowe C. Hartowanie bainityczne ( struktura nanobainityczna)
WPŁYW PIERWIASTKÓW STOPOWYCH NA KSZTAŁT KRZYWYCH CTP
PATENTOWANIE DRUTU 500 PATENTOWANIE 400 Obróbka cieplna PATENTOWANIE, polegające na przelotowym nagrzaniu drutu do temperatury 880 950 C, a następnie chłodzeniu w ołowiu w temperaturze 480 520 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.
średnica krytyczna Dn - średnica pręta zahartowanego w określonych warunkach chłodzenia, - w osi pręta struktura składa się z n % martenzytu, np. D50, D80, D99,9
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 300 500 C, które ma na celu uzyskanie wysokiej sprężystości przy dostatecznej udarności oraz utrzymanie wysokiej wytrzymałości ODPUSZCZANIE NISKIE w temperaturze w zakresie 150 300 C, które ma na celu usunięcie, a przynajmniej zmniejszenie naprężeń hartowniczych przy nieznacznym polepszeniu plastyczności z jednoczesnym zachowaniem wysokiej twardości i wytrzymałości
ODPUSZCZANIE
WŁAŚCIWOŚCI STALI PO ODPUSZCZANIU
Martenzyt Sorbit
TWARDOŚĆ PO ODPUSZCZANIU HRC 70 60 0,8%C 0,5%C 0,3%C 50 40 30 20 10 100 200 300 400 500 600 Temperatura odpuszczania wg: L. Dobrzański
BADANIE HARTOWNOŚCI STALI 1 - zbiornik z wodą, 2 - wanna, 3 - zawór, 4 - dysza wodna, 5 - przesłona, 6 - uchwyt próbki, 7 - próbka
PRĘT
TEST EGZAMIN zag. 11 11. 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
TEST EGZAMIN zag. 12 12. 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
Umacnianie wydzieleniowe Przesycanie Starzenie
Fragment typowego wykresu równowagi stopów Al z zaznaczeniem zakresów stężenia stopów do obróbki plastycznej, umacnianych zgniotem i utwardzanych wydzieleniowo, oraz stopów odlewniczych
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.
Orientacyjne zakresy stężenia pierwiastków stopowych w stopach aluminium z miedzią
Przesycanie i starzenie stopów aluminium
Umacnianie wydzieleniowe Odkryte w 1938 r. przez A.Guiniera i G.D.Prestona
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)
Wpływ temperatury i czasu starzenia na twardość stopu Al z dodatkiem 4% Cu (według A.P. Gulajewa)
Oddziaływanie omijające mechanizm Orowana
Koherętne granice międzyfazowe Umocnienie wydzieleniowe przez małe odkształcalne cząstki koherentne (i półkoherentne) powstałe w wyniku starzenia przesyconych roztworów stałych słabe przeszkody dla ruchu dyslokacji
Oddziaływanie dyslokacji z wydzieleniami podczas starzenia stopu Al-Cu
Granica plastyczności stopów Al umacnianych wydzieleniowo PN-79/H-88026 ASTM SKŁAD CHEMICZNY Gatunek Oznaczenie Si Cu Mg Mn Zn Ti Inne AlCu4MgSi PA6N 2014 0,5 4,4 0,4 0,8 - - - AlCu4Mg1 PA7N 2024 0,3 4,5 1,5 0,6-0,1 - AlMn1 PA1N 3003 0,3 0,2-1,2 - - - AlMg3 PA11N 5052 0,3-2,5 - - - 0,3%Cr AlMg1SiCu PA10N 6061 0,6 0,25 1,0 - - - 0,2%Cr AlZn6Mg2Cu2 PA9 7075-1,6 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 130 465 6000 Al. + 0,5Mg, 0,5Si 85 210 7000 Al. + 6Zn + Mg, Cu 300 570
Zjawisko nawrotu Schemat zmiany wytrzymałości Rm stopu Al-4%Cu na skutek starzenia i nawrotu wywołanej krótkotrwałym nagrzewaniem do temperatury 230 C
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 320 400 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 (300 400 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, 200 300 C. Po wyżarzaniu stosowane jest powolne chłodzenie.
WPŁYW DODATKÓW STOPOWYCH wg: L. Dobrzański
wg M. Blicharski
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
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
Wpływ dodatków stopowych na twardość odpuszczania Schemat wpływu przemian fazowych podczas odpuszczania na twardość stali szybkotnących wg: L. Dobrzański
WYKRESY CTPI - CTPC wg M. Blicharski
WYKRES CTPI DLA STALI PODEUTEKTOIDALNEJ
wg: L. Dobrzański