Materiałoznawstwo - opracowanie kolokwium PDF

Preview

Summary

Narysować i opisać fazowo układ równowagi Fe-Fe3C. Zaznaczyć charakterystyczne temperatury i składy chemiczne. Podać definicję i własności faz występujących w układzie Fe-Fe3C.  Ferryt(α) - międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feα o sieci RPC (A2). Małe rozmiary luk w sieci skutkują bardzo małą rozp...

Description

1. Narysować i opisać fazowo układ równowagi Fe-Fe3C. Zaznaczyć charakterystyczne temperatury i składy chemiczne.

2. Podać definicję i własności faz występujących w układzie Fe-Fe3C.  Ferryt(α) - międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feα o sieci RPC (A2). Małe rozmiary luk w sieci skutkują bardzo małą rozpuszczalnością węgla w Feα. W temperaturze eutektoidalnej 727°C wynosi ona 0,022% (maksymalna rozpuszczalność) i zmniejsza się ze spadkiem temperatury (w pokojowej równa jest zeru). Odmiana wysokotemperaturowa Feα może rozpuścić max. 0,09%C w perytektycznej temperaturze 1493°C.  Austenit(γ) - międzywęzłowy roztwór stały węgla w Feγ o sieci RSC (A1). W temperaturze eutektycznej 1147°C zawartość węgla wynosi 2,14%C. Od 1147°C do 727°C (linia E - S) powoduje, iż ilość rozpuszczonego w nim węgla obniża się o 0,76%C.  Cementyt (Fe3C) - faza międzywęzłowa zawierająca 6,7%C i strukturze złożonej układu rombowego, krystalizująca w temperaturze ok. 1252°C z ciekłego roztworu węgla w żelazie. Sieć cementytu nie zmienia się od temperatury otoczenia. Powyżej 230°C cementyt jest paramagnetyczny, poniżej ferromagnetyczny. Cementyt jest fazą nietrwałą (metastabilną), pod wpływem energii cieplnej ulega procesowi grafityzacji. Jest twardy i kruchy.  Faza ciekła (L) - roztwór ciekły węgla w żelazie - znajduje się powyżej linii ABCD. Poniżej linii AHECF (linii solidus) występują fazy stałe. Pomiędzy linią likwidus i solidus zawsze istnieje jedna faza ciekła oraz wydzielająca się z niej (krystalizująca) faza stała. 3. Narysować i opisać strukturalnie układ równowagi Fe- Fe 3C. Zaznaczyć charakterystyczne temperatury i składy chemiczne. 4. Podać definicję i własności mieszanin faz występujących w układzie Fe-Fe 3C.  Cementyt - jest składnikiem struktury stopów zawierających do 6,7%C. a) cementyt pierwotny (cementyt I), wydzielający się przy krzepnięciu stopów o zawartości 4,36,7%C (wzdłuż linii DC) z roztworu ciekłego ubożejącego w węgiel w postaci grubych igieł. b) cementyt drugorzędowy (cementyt II), wydzielający się z austenitu (wzdłuż linii ES) wskutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla. Występuje w stopach o zawartości węgla od 0,76-4,3%. W stopach o zawartości 0,76-2,14%C ma on postać siatki na granicach ziaren perlitu. c) cementyt trzeciorzędowy (cementyt III), wydzielający się z ferrytu (wzdłuż linii PQ) na skutek obniżania się w nim rozpuszczalności węgla wraz ze spadkiem temperatury. Widoczny jest w stopach o zawartości do 0,022% węgla na granicach ziaren ferrytu w postaci podwójnej granicy ziarna.  perlit - jest składnikiem struktury stopów od zawartości 0,022% do 4,3% węgla. Przy wyższej wchodzi w skład ledeburytu przemienionego. Perlit złożony jest z przemiennie ułożonych płytek cementytu i ferrytu. Wymiary płytek cementytu (depresja) zmniejszają się pod wpływem wzrostu szybkości chłodzenia austenitu. Dyspersja perlitu oddziałuje na jego właściwości - drobny perlit - większa twardość (200-400HB).

ledeburyt - eutektyka powstająca przy krzepnięciu stopów żelaza z węglem zawierających 2,14 6,7%C w temperaturze 1147°C. Składa się z austenitu i cementytu.  ledeburyt przemieniony - powstaje w wyniku przemiany austenitu na perlit w temperaturze eutektoidalnej 727°C. Jest twardy (ok. 450HB) i kruchy. 100% ledeburytu przemienionego występuje przy zawartości węgla 4,3%, tj. przy zawartości eutektycznej. 5. Jaki jest wpływ wielkości ziarna stali na granicę plastyczności; narysować lub opisać. 

Wpływ wielkości ziarna na granicę plastyczności stali w temperaturze pokojowej.

6. Wymień i scharakteryzuj rodzaje umocnienia.  Umocnienie naprężeniowe - zwiększenie ilości zaburzeń struktury krystalicznej, hamujące ruch dyslokacji - materiał jest wytrzymalszy  Umocnienie roztworem stałym - roztwór stały powstaje wówczas, gdy atomy lub jony innego pierwiastka są całkowicie asymilowane przez strukturę krystaliczną materiału - wprowadzenie atomów obcych do struktury powoduje ograniczenie możliwości ruchu dyslokacji  Umocnienie wielkością ziarna - zwiększenie ilości granic ziaren powoduje ograniczenie ruchu dyslokacji 7. Na czym polega statyczna próba rozciągania metali i jakie własności w niej wyznaczamy? (opis próby, wyznaczanie własności). Statyczna próba rozciągania metali polega na działaniu siłą na metale na maszynie do rozciągania w celu zbadania odporności na działanie stałego lub narastającego powoli obciążenia. (polega na osiowym rozciąganiu próbek o ściśle określonym kształcie (zależnym od rodzaju badanego materiału) w specjalnych uchwytach dostosowanych do próbek). W czasie próby rejestruje się zależność przyrostu długości próbki od wielkości siły rozciągającej oraz rejestruje się granicę sprężystości, przewężenie próbki i siłę zrywającą próbkę. 8. Narysuj krzywe rozciągania dla materiałów elastoplastycznych i kruchych.

elastoplastyczne kruche 9. Narysuj krzywą rozciągania dla stali i określ: granicę sprężystości, wyraźną lub umowną granicę plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie.

granica sprężystości

Granica plastyczności Re

Wytrzymałość na rozciąganie Rm

210

220

380

wytrzymałość na wydłużenie

10. Zasada pomiaru twardości metali sposobem Brinella (co, jak i w jaki sposób mierzymy).

Pomiar twardości sposobem Brinella polega na wciskaniu w badaną próbkę, z siłą F prostopadłą do badanej powierzchni, twardej kulki stalowej lub z węglików spiekanych o średnicy D równej 10, 5, 2,5, 2 lub 1 mm. Twardość wyraża się stosunkiem obciążenia siły F do powierzchni kulistej czaszy trwałego odcisku S. Pole powierzchni odcisku oblicza się na podstawie pomiaru średnicy trwałego odcisku d. Twardość Brinella wyraża się wzorem: HB = obciążenie / pole powierzchni odcisku. 11. Zasada pomiaru twardości metali sposobem Vickersa (co, jak i w jaki sposób mierzymy). Przy pomiarze twardości sposobem Vickersa wgłębnikiem jest diamentowy ostrosłup o podstawie kwadratu i kącie dwuściennym przy wierzchołku równym 136°. Pomiar twardości sposobem Vickersa polega na wciskaniu wgłębnika w płaską, i dostatecznie gładką powierzchnię przedmiotu, pod obciążeniem F prostopadłym do tej powierzchni przez określony czas t. Po odciążeniu mierzy się długość przekątnych d1 i d2 odcisku powstałego na powierzchni próbki (rys. 2.4). Twardość Vickersa wyraża się stosunkiem siły F do pola powierzchni odcisku, obliczonego z średniej arytmetycznej wartości długości przekątnych d. HV = obciążenie / pole powierzchni odcisku. 12. Zasada pomiaru twardości metali sposobem Rockwella (co, jak i w jaki sposób mierzymy). Pomiar polega na dwustopniowym wciskaniu wgłębnika siłą wstępną Fo i siłą główną F1 w badaną próbkę przy określonych warunkach obciążenia. W metodzie Rockwella stosuje się trzy rodzaje wgłębników (tabl. 2.5): stożek diamentowy o kącie wierzchołkowym 120° (skale A, C, D), kulkę stalową o średnicy 1,588 mm (skale B, F, G), kulkę stalową o średnicy 3,175 mm (skale E, H, K). Podstawą określenia twardości Rockwella jest pomiar trwałego przyrostu głębokości odcisku (trwałego odkształcenia). Wynik odczytuje się w jednostkach twardości HR na odpowiednio wyskalowanym czujniku zegarowym. Zasada pomiaru twardości metali sposobem Brinella.

Zasada pomiaru twardości metali sposobem Vickersa.

Zasada pomiaru twardości metali sposobem Rockwella.

Nacisk kulką z węglików spiekanych.

Nacisk ostrosłupem diamentowym (136 stopni) o podstawie kwadratu.

Wielokrotny nacisk rożnymi siłami, wstępnymi i głównymi innymi w każdej próbie.

13. Na czym polega próba udarności, do czego służą wyniki uzyskane w próbie udarności (próbka, sposób badania). Próba udarności jest to pomiar zdolności materiału do pochłonięcia energii uderzenia. Wyniki służą do ustalenia temperatury poniżej której materiały w próbie udarności zachowują się jak materiały kruche. (Temperatura przejścia plastyczno-kruchego (DBTT)). Do wykonywania tych badań wykorzystuje się urządzenia umożliwiające przyłożenie dużej siły w krótkim czasie, zwane najczęściej młotami udarowymi. Najczęściej spotykanym urządzeniem jest młot Charpy'ego. Próbki: *typu Mesnager *typu ISO-Charpy U stosowaną do określania udarności materiałów bardzo ciągliwych *typu ISO-Charpy V

14. Co to jest wytrzymałość zmęczeniowa, narysuj schemat przebiegu pękania zmęczeniowego.

Wytrzymałość zmęczeniowa jest to odporność materiału na działanie obciążeń zmiennych.

15. Co to jest pełzanie, w jakich warunkach występuje, narysuj krzywą pełzaniową. Pełzanie jest to zależne od czasu, trwałe odkształcenie w podwyższonej temperaturze, występujące w przypadku działania stałego obciążenia lub stałego naprężenia.

16. Podaj definicje stali, staliwa i żeliwa. * Stal jest to stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi - zawierający do ok. 2% węgla, otrzymany w procesach stalowniczych, przeznaczony na półwyroby i wyroby przerabiane plastycznie. * Staliwo jest to stop żelaza z węglem i innymi dodatkami stopowymi, zawierający do ok. 2% węgla, otrzymany w procesach stalowniczych i przeznaczony na odlewy. * Żeliwo jest to stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, o zawartości węgla powyżej 1,7% (zazwyczaj w zakresie 2—5%C), przeznaczony na odlewy. Otrzymuje się je przez stopienie w żeliwiaku surówki wielkopiecowej z dodatkiem złomu żeliwnego lub stalowego oraz żelazostopów. 17. Wpływ węgla na własności mechaniczne stali niestopowych (Re, Rm i A) (wykres - opis).

18. Definicja żeliwa i własności żeliw z grafitem. Żeliwo jest to odlewniczy stop żelaza z węglem (o zawartości powyżej 2%C) i innymi pierwiastkami. Własności żeliw z grafitem: - grafit działa jako karb wewnętrzny, stanowiący nieciągłość metalu - zmniejsza Skórcz odlewniczy - polepsza skrawalność - zwiększa własności ślizgowe - sprzyja tłumieniu drgań - powoduje zwiększenie wytrzymałości zmęczeniowej 19. Klasyfikacja żeliw (kryteria klasyfikacji - klasyfikacja). - białe (jasny przełom) - węgiel występuje w postaci cementytu, mają ograniczone zastosowanie - szare (szary przełom) - węgiel występuje jako grafit i częściowo jako cementyt w perlicie, mają szerokie zastosowanie (ze względu na kształt wydzieleń grafitu) - połowiczne (pstre) - węgiel w postaci cementytu i grafitu.

Klasyfikacja żeliw (właściwości): - Modyfikowalne - żeliwa poddane procesom modyfikacji w celu podwyższenia właściwości wytrzymałościowych. Procesy te polegają na wprowadzeniu modyfikatora (np. Fe-Si) do ciekłego stopu w ilości do 0,5% masy stopu. Zwiększona zostaje ilość zarodków krystalizacji (rozdrobnienie płatków grafitu), tym samym uzyskuje się strukturę perlitu w osnowie mechanicznej. - Sferoidalne - żeliwa wzbogacone modyfikatorem i niewielką ilością substancji (np. Cr, Mg, Mg-Ni) w celu podwyższenia właściwości wytrzymałościowych i plastycznych. Substancje są odpowiedzialne za zmianę napięcia powierzchniowego i utworzenie wydzieleń grafitu w postaci sferoidalnej. - Ciągliwe - żeliwo otrzymywane z żeliwa białego w wyniku wyżarzania grafityzującego

20. Własności i struktura żeliw sferoidalnych. Żeliwo sferoidalne: W celu podwyższenia właściwości wytrzymałościowych i plastycznych, do ciekłego stopu dodaje się modyfikator oraz niewielkie ilości substancji (Cr, Mg, Mg-Ni), które zmieniają napięcie powierzchniowe i powodują utworzenie wydzieleń grafitu w postaci sferoidalnej.

21. Żeliwo ciągliwe - własności i sposób otrzymywania. Własności: - kłaczkowa postać grafitu (korzystna dla żeliwa) - podwyższone (polepszone) właściwości mechaniczne Otrzymywanie: Żeliwo ciągliwe uzyskuje się w procesie wyżarzania żeliwa białego. Przebiega on w temperaturze od 700 do 1000’C w czasie ~100 godzin. Przebieg cyklu wyżarzania i atmosfera procesu są różne, stąd możemy otrzymać żeliwo o osnowie ferrytycznej, ferrytyczno-perlitycznej, perlityczno-ferrytycznej lub perlitycznej o strukturze jednolitej na przekroju elementu (atmosfera obojętna), lub o zmniejszonej zawartości węgla przy powierzchni odlewu (atmosfera utleniająca). 22. Podaj cechy przemiany perlitycznej (temperatura, przebieg, co uzyskujemy). Przemiana perlityczna - przemiana fazowa/termiczna austenitu w perlit przy powolnym chłodzeniu. • przemiana jest dyfuzyjna, • przemiana zachodzi drogą zarodkowania i rozrostu zarodków, • fazą kierującą (inicjującą przemianę) jest cementyt, • szybkość chłodzenia ma wpływ na temperaturę początku przemiany, • brak jest ukierunkowania pomiędzy fazą macierzystą (γ) a fazami wchodzącymi w skład eutektoidu, • stopień przechłodzenia poniżej temperatury równowagi A1 wpływa na szybkość zarodkowania i rozrostu, a tym samym na rozdrobnienie obu faz perlitycznych (ferrytu i cementytu).

23. Scharakteryzuj skłonność stali do grubo i drobnoziarnistości (wykres).

24. Narysuj ogólny schemat obróbki cieplnej i zaznacz podstawowe zabiegi. Obróbka cieplna - zabiegi technologiczne, polegające na nagrzaniu przedmiotu do wymaganej temperatury, wytrzymaniu w niej przez określony czas i chłodzeniu z zadaną prędkością w celu wywołania zmian struktury, zapewniających uzyskanie odpowiednich właściwości mechanicznych.

25. Sposób przeprowadzenia i cel następujących rodzajów wyżarzania: ujednorodniającego, normalizującego, zupełnego, zmiękczającego, rekrystalizującego, odprężającego. Zaznacz zakresu temperatur na wykresie układu Fe- Fe3C. Wyżarzanie - operacja mająca na celu nagrzanie stali do odpowiedniej temperatury oraz wytrzymaniu w tej temperaturze oraz wolnym chłodzeniu. Ma to na celu uzyskanie struktur zbliżonych do stanu równowagi. Rodzaje: -ujednorodniające - wlewki stalowe, jednorodność składu chemicznego, praktycznie 1050-1200°C -normalizujące - uzyskanie jednorodnej, drobnoziarnistej struktury 30—50°C powyżej Ac3 lub Accm - zupełne - uzyskanie jednorodnej, drobnoziarnistej struktury dla stali stopowych, powolne chłodzenie z piecem 30—50°C powyżej Ac3 lub Accm -zmiękczające - uzyskanie sferoidytu (kulkowego cementytu w osnowie ferrytu) - dobra skrawalność i podatność na odkształcenie plastyczne, dla stali nadeutektoidalnych - przed hartowaniem, 600°C

-rekrystalizujące - elementy stalowe (odkształcone plastycznie) po zgniocie na zimno. Zazwyczaj jako międzyoperacyjne podczas walcowania 600—700°C -odprężające - usuwanie naprężeń odlewniczych, spawalniczych lub cieplnych poniżej 650°C.

26. Narysuj i opisz wykres CTPc lub CTPi dla stali: podeutektoidalnej, eutektoidalnej, nadeutektoidalnej.

27. Klasyfikacja rodzajów obróbki cieplnej. *wyżarzanie: - z przekrystalizowaniem (ujednorodniające, normalizujące, zupełne, niezupełne, izotermiczne, sferoidyzujące, perlityzujące, grafityzujące) - bez przekrystalizowania (rekrystalizujące, odprężające, przeciwpłatkowe, stabilizujące, sferoidyzujące)*hartowanie: - na wskroś (martenzytyczne, stopniowe, izotermiczne (bainityczne), patentowanie, z wymrażaniem) - powierzchniowe (martenzytyczne, z wymrażaniem)

*odpuszczanie: -wysokie -średnie -niskie 28. Definicja i własności martenzytu. Martenzyt - przesycony roztwór stały węgla w żelazie alfa. Cechy: - tyle samo węgla, co w austenicie (jego pochodnej) - komórka elementarna martenzytu to prostopadłościan o podstawie kwadratu - atomy węgla rozmieszczone międzywęzłowo na środkach dłuższych krawędzi - atomy węgla zniekształcają sieć żelaza alfa, wywołując naprężenia, powodujące znaczną twardość i wytrzymałość. 29. Cechy przemiany martenzytycznej. Przemiana martenzytyczna - przemiana Feγ→Feα, polegająca na nieznacznych przesunięciach płaszczyzn sieciowych, bez udziału dyfuzji. Cechy: 1. Przemiana martenzytyczna jest bezdyfuzyjna. 2. Zachodzi tylko w zakresie temperatur od MS do Mf. 3. Zachodzi tylko przy obniżaniu temperatury. 4. Sieci krystaliczne martenzytu i austenitu są zorientowane względem siebie pod określonym kątem. 5. Martenzyt w stalach średnio i wysoko węglowych ma postać płytek. 6. Wzrost każdej płytki przebiega „wybuchowo" - z szybkością rozchodzenia się dźwięku w stali. 7. Płytki nie mogą przecinać granic ziarn austenitu ani innych płytek. 8. Naprężenia rozciągające oraz odkształcenie plastyczne ułatwiają przemianę martenzytyczną.

30. Co to jest dyfuzja? Podaj jej prawa i mechanizmy. Dyfuzja - aktywowany cieplnie proces zachodzący wskutek ruchu atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania stężenia składników. Warunkiem przebiegu dyfuzji jest rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka nasycającego w osnowie metalicznej obrabianego materiału. Prawo Ficka: ilość dyfundującej substancji w określonym czasie, przez daną powierzchnię (prostopadłą do kierunku dyfuzji) jest proporcjonalna do pola powierzchni, gradientu (spadku) stężenia i czasu przepływu. Mechanizmy: - wakancyjny - zachodzący w roztworach substytucyjnych - międzywęzłowy - w roztworach międzywęzłowych - specyficzne mechanizmy związane z defektami sieci lub tworzeniem związków. 31. Na czym polega hartowanie stali? Zaznacz na wykresie układu Fe-Fe3C dla stali zakres prawidłowych temperatur hartowania. Hartowanie stali - obróbka cieplna, polegająca na nagrzaniu materiału (w tym przypadku stali) do odpowiedniej temperatury (temperatury hartowania), wytrzymania w niej do koniecznej przebudowy struktury wewnętrznej materiału oraz następnym odpowiednio szybkim chłodzeniu. W ten sposób wzrastają właściwości wytrzymałościowe materiału.

32. Rodzaje odpuszczania. Odpuszczanie: - niskie (od 150 do 250’C). Zmniejsza kruchość i poprawia ciągliwość stali i znacznie ogranicza naprężenia hartownicze. - średnie (od 250 do 500’C). Silnie zmniejsza kruchość i naprężenia, zachowuje dużą wytrzymałość i twardość, nadając dobrą sprężystość (wysoka granica sprężystości) i wytrzymałość zmęczeniową - wysokie (od 500’C do Ac1). Całkowicie usuwa naprężenia, powoduje spadek umocnienia i wzrost ciągliwości. Zapewnia optymalny zespół właściwości mechanicznych (Re/Rm). Operacja hartowania i wysokiego odpuszczania nosi nazwę ulepszania cieplnego. 33. Jaki jest wpływ odpuszczania na własności (Re, Rm, A, HB) stali węglowej hartowanej (wykres).

34. Co to jest ulepszanie cieplne? Brązy aluminiowe, o zawartości od około 9% Al można poddawać ulepszanie cieplnemu, polegającemu na hartowaniu i odpuszczaniu. Ulepszaniu cieplnemu podlegają brązy odlewnicze oraz wieloskładnikowe brązy do przeróbki plastycznej o odpowiedniej zawartości aluminium. Stopy te hartuje się najczęściej z temperatury ok. 950°C, a odpuszcza w 400—600°C przez 2 — 3 godziny. 35. Co to jest obróbka cieplno-chemiczna. Obróbka cieplno-chemiczna jest zabiegiem cieplnym (lub połączeniem kilku zabiegów), mającym na celu uzyskanie w warstwie wierzchniej obrabianego materiału własności odmiennych od własności rdzenia. Osiąga się to przez zmianę składu chemicznego, a co za tym idzie struktury wspomnianej warstwy wierzchniej. 36. Podaj cel nawęglania i azotowania.

* Nawęglanie jest zabiegiem obróbki cieplno-chemicznej polegającym na wzbogaceniu w węgiel strefy powierzchniowej stali niskowęglowej. Proces prowadzi się w temperaturach 850—950°C w zakresie istnienia austenitu. Celem procesu nawęglania uzupełnionego późniejszą obróbką cieplną (hartowaniem i niskim odpuszczaniem) jest uzyskanie twardej i odpornej na ścieranie powierzchni (55 — 62 HRC) z zachowaniem ciągliwego, o dostatecznej wytrzymałości - rdzenia. * Azotowanie jest procesem obróbki cieplno-chemicznej polegającym na nasyceniu azotem powierzchniowej warstwy stali lub żeliwa w temperaturach niższych od A1. Celem azotowania jest uzyskanie bardzo twardej i odpornej na zużycie ścierne warstwy wierzchniej elementów obrabianych przy zachowaniu wysokich własności mechanicznych rdzenia. Proces taki nazywa się azotowaniem utwardzającym. W procesie azotowania można również poprawić odporność stali i żeliw na działanie środowiska korozyjnego i wówczas taki proces nazywa się azotowaniem antykorozyjnym. 37. Podaj rodzaje azotowania (czas, temperatura, uzyskana twardość powierzchni). *azotowanie konwencjonalne - utwardzające (nazywane często długookresowym) przeprowadza się w temperaturze 480 — 560°C w czasie od kilkunastu do kilkudziesięciu godzin. Twardość stali węglowych po azotowaniu utwardzającym nie przekracza 1100 HV i wiąże się z wytworzeniem na powierzchni fazy γ' (Fe4N). W stalach stopowych zawierają...