ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΕΣ ΑΣΑΚΗΣΕΙΣ ΤΕΧΝΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΑΣΚΗΣΗ 7:

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΧΑΛΥΒΩΝ

ΕΠΩΝΥΜΟ: ΚΟΝΤΟΛΑΤΗΣΟΝΟΜΑ: ΕΥΣΤΑΘΙΟΣ

ΕΞΑΜΗΝΟ: 2 Ο ΟΜΑΔΑ: 5

ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ:

Α).Πρόλογος.

Η εργασία αυτή πραγματεύεται την θερμική κατεργασία χαλύβων και φιλοδοξεί μέσω των απαντήσεων της εργασίας να περιγράψει τις διεργασίες που γίνονται κατά τις θερμικές κατεργασίες χαλύβων. Φυσικά οι απαντήσεις αυτές αναμένεται να είναι ανάλογες με το γνωστικό επίπεδο ενός προπτυχιακού φοιτητή 2ου εξαμήνου.

Β).Εισαγωγή.

Στόχος της πειραματικής αυτής άσκησης είναι o χαρακτηρισμός της μικροδομής και της μικροσκληρότητας των χαλύβων σε δύο στάδια: α)θέρμανση σε φούρνο στους

(ωστενιτοποίηση)για μία ώρα και β)ψύξη σε νερό(βαφή).

Θερμικές κατεργασίες ονομάζεται κάθε συνδυασμός θέρμανσης και απόψυξης που οδηγεί σε μεταβολή της κρυσταλλικής δομής ή/και των φάσεων ,με αποτέλεσμα τη βελτίωση των μηχανικών και χημικών ιδιοτήτων του υλικού. Οι κυριότερες θερμικές κατεργασίες των μεταλλικών υλικών είναι η βαφή, η κλιμακωτή βαφή, η επαναφορά μετά από βαφή ,η ισοθερμοκρασιακή ανόπτηση(στην οποία ανήκει και η ωστενιτοποίηση). Πιο αναλυτικά, οι σκοποί των θερμικών κατεργασιών μπορεί να είναι :

σκλήρυνση του υλικού ρύθμιση της σκληρότητας σε συνδυασμό με την πλαστικότητα του μετάλλου

και τη βελτίωση των υπόλοιπων μηχανικών ιδιοτήτων του ελάττωση ή απαλοιφή των παραμενουσών τάσεων επίτευξη της κατάλληλης κρυσταλλικής δομής ή φάσης στις συνθήκες

περιβάλλοντος απαλλαγή από ατέλειες των κρυσταλλικών πλεγμάτων (εγκλείσματα,

κοιλότητες, μετασταθείς ή διασπαρμένες φάσεις).Ειδικά σε ότι αφορά τους χάλυβες ,οι κυριότερες θερμικές κατεργασίες είναι η ωστενιτοποίηση ,η βαφή και η επαναφορά από βαφή.

α)Ωστενιτοποίηση: Η ωστενιτοποίηση περιλαμβάνει θέρμανση του χάλυβα σε

θερμοκρασία υψηλότερη κατά ,περίπου, της υψηλότερης κρίσιμης θερμοκρασίας Αc3. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί πλήρης μετατροπή του κράματος σε ομογενή ωστενίτη(γ φάση,fcc), πρέπει η παραμονή στη θερμοκρασία αυτή να διαρκέσει αρκετό χρόνο, χωρίς όμως να οδηγήσει σε ανεπιθύμητη αύξηση του μεγέθους των κόκκων(υπερθέρμανση).Κατά τη διάρκεια της θέρμανσης, παρατηρείται συχνά μια διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας και του εσωτερικού της μάζας του κράματος, γεγονός που είναι δυνατό να προκαλέσει πλαστική παραμόρφωση του κρυσταλλικού πλέγματος του ωστενίτη. Επιβάλλεται, συνεπώς ,η διαδικασία της θέρμανσης να γίνεται με τόσο βραδύ ρυθμό όσο μεγαλύτερη είναι η διατομή του χαλύβδινου αντικειμένου. Κατά τη διάρκεια της

θέρμανσης προς ωστενιτοποίηση, ο χάλυβας οξειδώνεται ,γεγονός που συνοδεύεται από επιφανειακή απώλεια υλικού και ελάττωση της περιεκτικότητας σε C.Τα παραπάνω προβλήματα αντιμετωπίζονται με θέρμανση σε φούρνους ελεγχόμενης ατμόσφαιρας.

β).Βαφή: Ονομάζεται η απόψυξη του υλικού με εμβάπτιση σε αέρα, λάδι ή νερό. Η θερμική αυτή κατεργασία της ανόπτησης μετά το πέρας της απόψυξης ,η οποία πραγματοποιείται άλλοτε στο περιβάλλον και άλλοτε(με πολύ βραδύτερους ρυθμούς)μέσα στο φούρνο ,καταλήγει στις φάσεις ισορροπίας φερρίτη και σεμεντίτη και στην μικρογραφική δομή του περλίτη, όπως αυτές προβλέπονται μέσα από το

διάγραμμα ισορροπίας των φάσεων .Εάν η απόψυξη πραγματοποιηθεί με ταχύτερους ρυθμούς, τα λαμβανόμενα προϊόντα είναι φάσεις εκτός ισορροπίας. Η κατεργασία αυτή της ταχύτατης απόψυξης ονομάζεται βαφή του χάλυβα. O σκοπός της βαφής είναι η όσον το δυνατόν μεγαλύτερη μετατροπή του ωστενίτη σε μια εκτός

ισορροπίας φάση που ονομάζεται μαρτενσίτης ( , bct) .Ο μετασχηματισμός αυτός ξεκινάει κάτω από μία κρίσιμη θερμοκρασία, που λέγεται θερμοκρασία έναρξης μαρτενσιτικού μετασχηματισμού και ολοκληρώνεται σε μία άλλη θερμοκρασία, που λέγεται θερμοκρασία περάτωσης μαρτενσιτικού μετασχηματισμού. Η συγκεκριμένη βαφή γίνεται σε δύο στάδια :αρχικά ο χάλυβας αποψύχεται σε θερμοκρασία Τ, λίγο ανώτερη της Μs όπου παραμένει για λίγα δευτερόλεπτα και στη συνέχεια εμβαπτίζεται πλήρως σε ψυχρό λουτρό αφήνεται να αποψυχθεί πλήρως σε στον αέρα. Ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός λαμβάνει χώρα κατά το δεύτερο στάδιο.O χάλυβας με την παραμονή του σε θερμοκρασία Τ αποκτά ομοιογενή θερμοκρασία στη μάζα του. Έτσι ,κατά το δεύτερο στάδιο αναπτύσσονται λιγότερες τάσεις στο υλικό, το οποίο καθίσταται λιγότερο εύθραυστο και συνεπώς, μειώνονται οι πιθανότητες ρωγμάτωσης του.

Ο μαρτενσίτης, ο οποίος αναφέρθηκε εκτενώς παραπάνω, είναι μια τετραγωνική χωροκεντρωμένη κρυσταλλική δομή(bcc), η οποία προκύπτει με ταχεία διάτμηση της αρχικής κυβικής εδροκεντρωμένης δομής(fcc) του ωστενίτη.O μαρτενσιτικός μετασχηματισμός πραγματοποιείται χωρίς να λαμβάνει χώρα διάχυση ατόμων, όπως συμβαίνει στους συνήθεις μετασχηματισμούς φάσεων. Η μαρτενσιτική δομή είναι ισχυρά παραμορφωμένη δομή ,με το ποσοστό παραμόρφωσης να εξαρτάται από τη σύσταση του άνθρακα ,γεγονός που την κάνει εξαιρετικά σκληρή.

γ).Επαναφορά: Η επαναφορά αποτελεί αναθέρμανση βαμμένου χάλυβα σε θερμοκρασία μικρότερη από τη θερμοκρασία μετασχηματισμού του Αct επί χρόνο te και απόψυξη στον αέρα .Σκοπός της επαναφοράς είναι η εξάλειψη των εσωτερικών τάσεων που αναπτύσσονται από τη βαφή με διάχυση των ατόμων άνθρακα από το κρυσταλλικό πλέγμα του μαρτενσίτη και η απόκτηση από μέταλλο κατάλληλων μηχανικών ιδιοτήτων και ευσταθούς κρυσταλλικής δομής.

Στο παρακάτω διάγραμμα(που σαρώθηκε από το <2> της βιβλιογραφίας) φαίνονται οι κυριότερες θερμικές κατεργασίες των χαλύβων:

1)Βαφή

2)Κλιμακωτή βαφή

3)Επαναφορά και

4)-5)Ανόπτηση.

Για περισσότερες πληροφορίες βλέπε <2>,<3>,<4>της βιβλιογραφίας.

Γ).Θεωρητικό μέρος,.

Χάλυβες ονομάζονται τα κράματα Fe-C με 0,008%w/w<π(C)<2,00%w/w .Οι χάλυβες διακρίνονται σε διάφορα είδη, ανάλογα ως προς την περιεκτικότητα τους σε C(π(C)) ,με τη χρήση τους και ανάλογα με τα υπόλοιπα στοιχειά που περιέχουν. Το όνομα τους το παίρνουν με βάση διάφορα συστήματα όπως : ΑSSI-SAE(ΗΠΑ),B.S. (αγγλικό), AFNOR (γαλλικό, που όμως χρησιμοποιείται και στην Ιταλία), DNA (γερμανικό).

Διακρίνονται κυρίως σε κοινούς χάλυβες και κραματωμένους χάλυβες.

Οι κοινοί χάλυβες ή χάλυβες γενικής χρήσης ‘η χάλυβες χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα αποτελούν το 85%-90% της συνολικής παραγωγής χαλυβδοκραμάτων. Παράγονται σε μεγάλες ποσότητες, δεν υποβάλλονται συνήθως σε θερμικές κατεργασίες, είναι φθηνοί σε σχέση με τα υπόλοιπα βιομηχανικά κράματα και οι ιδιότητες τους είναι επαρκείς για τις συνήθεις εφαρμογές. Οι κοινοί χάλυβες, δεν

περιέχουν άλλα στοιχεία κραμάτωσης πέρα από μικρά ποσοστά σε Mn (πρακτικά υπάρχουν και ακαθαρσίες P,S που δεν είναι επιθυμητές αλλά υπάρχουν σε πολύ μικρά ποσοστά.). Ανάλογα με το ποσοστό τους σε άνθρακα τους διακρίνουμε σε :

Υποευτηκτοειδείς χάλυβες (0,025-0,8% w/w. σε C) Ευτηκτοειδείς χάλυβες (0,8%w/w C) Υπερευτηκτοειδείς χάλυβες(0,8-2,0% w/w C).

Mε τη μεταβολή της θερμοκρασίας, παρατηρείται ένας μετασχηματισμός της αλλοτροπικής μορφής σε κάποια άλλη, και παράλληλα δημιουργούνται διαφορές στις μικροδομές των υλικών και αλλαγή στις φάσεις τους. Οι περισσότεροι μετασχηματισμοί που λαμβάνουν χώρα σε στερεά κατάσταση

δεν πραγματοποιούνται στιγμιαία επειδή ορισμένα εμπόδια επιβραδύνουν την εξέλιξη της αντίδρασης του μετασχηματισμού, η οποία εξαρτάται από το χρόνο. Ένα τέτοιο εμπόδιο είναι το γεγονός ότι οι περισσότεροι μετασχηματισμοί οδηγούν στο σχηματισμό, τουλάχιστον μιας νέας φάσης, η οποία εμφανίζει διαφορετική κρυσταλλική δομή από εκείνη του μητρικού πλέγματος από το οποίο προέρχεται. Είναι ανάγκη, λοιπόν, να πραγματοποιηθούν ανακατανομές ατόμων με τη βοήθεια της διάχυσης της .

Από την άποψη της μικροδομής ,το πρώτο στάδιο που συνοδεύει κάποιον μετασχηματισμό φάσης είναι η πυρηνοποίηση ,ο σχηματισμός, δηλαδή, υπομικροσκοπικών σωματιδίων, των πυρήνων της νέας φάσης ,σε θέσεις συγκέντρωσης διαταραχών ή στα περατωτικά όρια των κόκκων. Το δεύτερο στάδιο αποτελεί η ανάπτυξη ,κατά τη διάρκεια της οποίας οι πυρήνες αναπτύσσονται σε μέγεθος, ενώ συγχρόνως μέρος του όγκου της μητρικής φάσης εξαφανίζεται. . Αξίζει να σημειωθεί ότι το τέλος του μετασχηματισμού απαιτεί πολύ χρόνο, ειδικά στις χαμηλές θερμοκρασίες οπού το σύστημα είναι για μεγάλο χρονικό διάστημα σε κατάσταση εκτός ισορροπίας.

Κραματωμένοι χάλυβες, πάλι, ονομάζονται οι χάλυβες στους οποίους είτε οι ακαθαρσίες υπερβαίνουν ένα από τα ακόλουθα όρια :π(C)=1,65%,π(Si)0,6% είτε η περιεκτικότητα σe ένα από τα στοιχεία Al ,Co,Cr,Mo,Ni προδιαγράφεται ή απαιτείται. Συμβατικά οι κραματωμένοι χάλυβες διακρίνονται σε χάλυβες χαμηλής κραμάτωσης και σε χάλυβες υψηλής κραμάτωσης .Επειδή, ωστόσο, στην παρούσα εργαστηριακή άσκηση δεν είναι απαραίτητη η γνώση των κραματωμένων χαλύβων, δε θα αναπτυχθούν περισσότερο πληροφορίες σχετικές με αυτούς.

Ένα εξαιρετικά σημαντικό σημείο για την κατανόηση της θερμικής επεξεργασίας χαλύβων είναι το διάγραμμα ΤΤΤ(Τime Temperature Transformation).

To διάγραμμα ΤΤΤ απεικονίζει τις καμπύλες μετασχηματισμού του ωστενίτη σαν συνάρτηση του χρόνου και της θερμοκρασίας. Μέσω αυτού γίνεται η μελέτη της ισοθερμοκρασιακής εξέλιξης ενός κράματος εκτός ισορροπίας μετά από την πυρήνωση και ανάπτυξη των κρυστάλλων ενός

κράματος και οδηγεί γενικά σε κάποια σιγμοειδή καμπύλη.

Τα δεδομένα για την κατασκευή ενός τέτοιου γραφήματος καθορίζονται με διαλυτοποίηση(αυτό λέγεται ωστενιτοποίηση) ενός αριθμού λεπτών δειγμάτων ορισμένου χάλυβα και βαφή σε μια ορισμένη θερμοκρασία, κάτω από τη χαρακτηριστική ευτηκτοειδή θερμοκρασία. Τα δείγματα αυτά αφού αφεθούν για ορισμένο χρόνο το καθένα τους στη θερμοκρασία της πρώτης βαφής, βάφονται στη θερμοκρασία δωματίου ή και σε χαμηλότερη θερμοκρασία. Η πρόοδος του μετασχηματισμού σε κάθε δείγμα πριν την τελευταία βαφή καθορίζεται με μεταλλογραφική εξέταση των δειγμάτων.

Από τις καμπύλες ΤΤΤ προκύπτουν τα ακόλουθα συμπεράσματα:

1. Παρατηρείται σε αυτές τις καμπύλες έντονη καμπυλότητα που προσδιορίζει τη θερμοκρασία όπου ο μετασχηματισμός επιτελείται γρηγορότερα. Κοντά σε αυτή τη θερμοκρασία, η ταχύτητα της διάχυσης είναι υψηλή και αντίστοιχα η ανάπτυξη των κρυστάλλων γίνεται γρηγορότερα.2. Κοντά στη θερμοκρασία ισορροπίας Τ0, η ταχύτητα μετασχηματισμού είναι μικρότερη εξαιτίας της προσέγγισης συνθηκών θερμοδυναμικής ισορροπίας.3. Στις χαμηλές θερμοκρασίες δεν πραγματοποιείται ολόκληρος ο μετασχηματισμός λόγω της πολύ μικρής ταχύτητας διάχυσης.Αυτά φαίνονται στο παρακάτω διάγραμμα(για πληροφορίες πάνω στο διάγραμμα ,όπως στο προηγούμενο).

Το διάγραμμα CCT(Continuous Cooling Transformation) απεικονίζει το μετασχηματισμό του ωστενίτη συναρτήσει του χρόνου και για διαφορετικές ταχύτητες απόψυξης. Χρησιμεύει στην εύρεση της κατάστασης της τελικής δομής του μετάλλου δεδομένης μιας κατεργασίας και μιας καθορισμένης συνθήκης απόψυξης. Η χάραξη των διαγραμμάτων αυτών στηρίζεται στην καταγραφή, με τη χρήση διαστολλόμετρου, των μεταβολών του όγκου του χάλυβα κατά τη διάρκεια της θερμικής κατεργασίας. Ένα τέτοιο διάγραμμα CCT είναι το παρακάτω(που σαρώθηκε και αυτό, όπως και τα προηγούμενα από το <2>της βιβλιογραφίας).Για περισσότερες πληροφορίες βλέπε <2>,<3>,<4>της βιβλιογραφίας.

Δ).Πειραματικό μέρος

Στη συγκεκριμένη εργαστηριακή άσκηση η διαδικασία που ακολουθήθηκε ήταν η ακόλουθη:

Εισαγωγή στο φούρνο δοκιμίων χάλυβα 42CK45 και ST37(κατά DIN) στους

.για περίπου 1 ώρα.

Βαφή του 42CK45 σε νερό και αργή απόψυξη του ST37 μέσα στο φούρνο . Εγκιβωτισμός των δοκιμίων μέσα σε ρητίνη. Λείανση των δοκιμίων σε διαδοχικά υαλόχαρτα και στίλβωση σε βελούδο με

αιώρημα . Χημική προσβολή δοκιμίων με Nital 4% για 15-20s. Παρατήρηση σε οπτικό μικροσκόπιο . Μικροσκληρομέτρηση με φορτίο 0,3kp(20s).Ειδικότερα για το 42CK45:

Χρησιμοποιήθηκε δοκίμιο υποευτηκτοειδούς χάλυβα περιεκτικότητα σε άνθρακα 0,45 % κβ, διαστάσεων 20×15mm ,κυλινδρικά συμπαγές. Αφού θερμάνθηκε στην

ωστενιτική περιοχή ( ) για περίπου μία ώρα (περίπου 30min για κάθε 10mm διατομής), βυθίστηκε σε νερό (βαφή/απότομη απόψυξη) και πραγματοποιήθηκε μαρτενσιτικός μετασχηματισμός. Εγκιβωτίστηκε, μετά, σε καλούπι, αφού το δοκίμιο καλύφθηκε με μείγμα ρητίνης (σκόνης) και σκληρίτη (υγρό πολυμερές) σε αναλογία 2:1.. Έπειτα πραγματοποιήθηκε η λείανση και η στίλβωση του δοκιμίου, με χρήση περιστρεφόμενου δίσκου (300rpm/s) και υαλόχαρτων διαφορετικών τραχυτήτων και στίλβωση σε βελούδο με αιώρημα Al2O3. Τέλος πραγματοποιήθηκε η χημική προσβολή (διάβρωση) του δοκιμίου με βύθιση, για περίπου 10s, σε Nital 4%

(διάλυμα αλκοόλης και νιτρικού οξέος).Χρησιμοποιήθηκε οπτικό μικροσκόπιο (×50-×1000) στο οποίο στερεώθηκε το δοκίμιο πάνω στην αντικειμενοφόρο πλάκα του μικροσκοπίου με την βοήθεια μιας πρέσας και τη χρησιμοποίηση πλαστελίνης. Σε μεγέθυνση ×50 παρατηρήθηκε ρωγμή, η οποία, διαπιστώθηκε σε μεγέθυνση ×100, εστιαζόταν σε δύο σημεία. Η ρωγμή αυτή έγινε επειδή έσπασε το δοκίμιο που χρησιμοποιήσαμε λόγω παραμενουσών τάσεων, που δημιουργήθηκαν κατά την απότομη απόψυξη του δοκιμίου. Στη μεγέθυνση x200 μπόρεσε να θεαθεί η λαμελοειδής περλιτική δομή. Άσπρες και μαύρες πλάκες, που στην ανάλυση x500

φάνηκε να έχουν λευκές ανταύγειες, αποτελούσαν το φερρίτη και τον (σεμεντίτη) του περλιτικού μετασχηματισμού. Επίσης στην ανάλυση 500 διακρίθηκε και το μωσαϊκό μαρτενσίτη. Όσον αφορά το άλλο δοκίμιο το St37 έγιναν όσο και στο 42CK45 με μια διαφορά αποψύχθηκε αργά στο φούρνο και δεν βυθίστηκε στο νερό(όχι βαφή) και έτσι δεν είχε ρωγμές όπως το προηγούμενο. Έπειτα έγινε μικροσκληρομέτρηση Vickers(30kp---30s).Οι διαγώνιες των κοιλοτήτων στις 2 σκληρομετρήσεις ήταν:

α)d1= 51μm=0,051mm ,d2=52μm=0,052mm

β)d1=26μm=0,026mm, d2=24μm=0,024mm

Έτσι από τους τύπους η σκληρότητα του πρώτου είναι HV1= και HV2=

HV1=210ΗV ενώ δεύτερου δοκιμίου HV2= 890ΗV.

To παραπάνω διάγραμμα δείχνει τα στάδια του περλιτικού μετασχηματισμού (ίδιας πηγής με τα προηγούμενα).Για περισσότερες πληροφορίες βλέπε <1>, <2> της βιβλιογραφίας.

Ε).Αξιολόγηση των πειραματικών αποτελεσμάτων.

1). Να περιγραφούν η τελική μικροδομή και οι αλλοτροπικές μεταβολές που συντελούνται κατά τον πλήρη κύκλο της θερμικής κατεργασίας των δύο χαλύβων.

Στα δύο δοκίμια, αφού αυτά υποστούν τις θερμικές κατεργασίες, ο ωστενίτης έχει

μετασχηματιστεί πλήρως σε σεμεντίτη( ),μαρτενσίτη και φερρρίτη. Ειδικότερα στο συγκεκριμένο πείραμα:

Το 42CK45 επειδή «βάφτηκε» σε λουτρό νερού και επομένως υφίσταται μαρτενσιτικό μετασχηματισμό.

Ένας απλός θερμικός κύκλος φαίνεται στο παρακάτω σχήμα:

1. Θέρμανση 2. Παραμονή 3. ΨύξηΈτσι γίνεται αντιληπτή η έννοια του θερμικού κύκλου(το διάγραμμα πάρθηκε από το <2> της βιβλιογραφίας).

Σχετικά με τον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό, αυτός παρατηρήθηκε πρώτη φορά στα κράματα Fe-C που υφίστανται βαφή. Όλοι οι μετασχηματισμοί χαρακτηρίζονται από πυρηνοποίηση και ανάπτυξη. Αυτό είναι το αποτέλεσμα μιας κινητικής διαδικασίας που περιλαμβάνει την ανάπτυξη πυρήνων μιας αρχικά ομογενούς φάσης, ενώ η ταχύτητα απόψυξης αυτών των πυρήνων ελέγχεται από τη διάχυση των διαφόρων συστατικών του κράματος .Εντούτοις, ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός διαφέρει από τους προηγούμενους. Οι μαρτενσιτικοί μετασχηματισμοί στο επίπεδο κίνησης είναι ανεξάρτητοι της διάχυσης και οι κρύσταλλοι της νέας φάσης αναπτύσσονται κατά ένα σχεδόν ημιακαριαίο τρόπο στο εσωτερικό ορισμένων σημείων του συνολικού όγκου και σύμφωνα με ορισμένες προνομιούχες διευθύνσεις της αρχικής φάσης. Σε επίπεδο δομής, διακρίνονται από την ύπαρξη μιας σχέσης προσανατολισμού μεταξύ αρχικής και τελικής φάσης.

Για το άλλο δοκίμιο που αφέθηκε να αποψυχθεί αργά στο φούρνο και επομένως ο μετασχηματισμός που συνέβη ήταν ο περλιτικός(Ρ).Ο περλίτης αποτελείται από μία ομοιόμορφη εναλλαγή φερρίτη και σεμεντίτη.

Ο λόγος των μαζών στο συγκεκριμένο μετασχηματισμό είναι 1:8 και γι’ αυτό τα πλακίδια του φερρίτη έχουν οκταπλάσιο πλάτος από αυτά του σεμεντίτη για την ίδια βαφή. Από την άποψη της μικροδομής, το πρώτο στάδιο που συνοδεύει κάποιον μετασχηματισμό φάσης είναι η πυρηνοποίηση, ο σχηματισμός δηλαδή υπομικροσκοπικών σωματιδίων, των πυρήνων της νέας φάσης, σε θέσεις συγκέντρωσης διαταραχών ή στα περατωτικά όρια των κόκκων. Το δεύτερο στάδιο αποτελεί η ανάπτυξη ,κατά τη διάρκεια της οποίας οι πυρήνες αναπτύσσονται σε μέγεθος ενώ συγχρόνως μέρος του όγκου της μητρικής φάσης εξαφανίζεται. μετά από κάποιο χρόνο, η καμπύλη μετασχηματισμού παρουσιάζει ένα σημείο καμπής, η ταχύτητα της αντίδρασης επιβραδύνεται. Η επιβράδυνση αυτή οφείλεται στην αμοιβαία αλληλεπίδραση των αναπτυσσόμενων πυρήνων(για περισσότερες πληροφορίες βλέπε <2>,<3>,<4>).

2. Δίνονται δύο ανθρακούχοι χάλυβες Χ1 και Χ2 με σύσταση σε άνθρακα 0,40%και 0,90% αντίστοιχα. Κατά την εφαρμογή ωστενιτοποιήσης και βαφής μέχρι θερμοκρασία Μf ποιος χάλυβας αναμένεται να σκληράνει περισσότερο και γιατί.

Δίνεται η εξίσωση C/A=1+0,045(%C)

Όπου:

C: το ύψος της τετραγωνικής κυψελίδας του μαρτενσίτη

A: η ακμή της βάσης της τετραγωνικής κυψελίδας.

Οι χάλυβες έχουν την ιδιότητα, όση μεγαλύτερη π(C) έχουν, τόσο πιο σκληροί είναι και τόσο πιο πολύ μειώνεται η κυβικότητα του σχήματος της κυψελίδας τους. Επομένως ο χάλυβας Χ2 είναι αυτός που θα σκληράνει περισσότερο.

Τώρα σύμφωνα με την δοσμένη εξίσωση:

Για το χάλυβα Χ1: C/A=1+0,045*(0,4/100) C/A=1,00018

Για το χάλυβα Χ2: C/A=1+0,045*(0,9/100) C/A=1,000405

Παρατηρείται ότι C/A(X2)>C/A(X1).Η φυσική σημασία αυτής της σχέσης είναι ότι η αύξηση στην περιεκτικότητα του άνθρακα οδηγεί στην μείωση της κυβικότητας του σχήματος τους (όσο πιο κοντά στη μονάδα είναι ο λόγος C/A τόσο πιο κυβικό είναι το σχήμα της κυψελίδας).

Υπενθυμίζεται ότι

Ms: θερμοκρασία έναρξης μαρτενσιτικού μετασχηματισμού

Mf: θερμοκρασία λήξης μαρτενσιτικού μετασχηματισμού. Για περισσότερες πληροφορίες βλέπε <2>,<3>της βιβλιογραφίας καθώς και τη διεύθυνση στο internet.

3. Στους εργαλειοχάλυβες Ζ160CDV12 και Z8DCWV8-4-2-1 εφαρμόζεται κατάλληλη ωστενιτοποίηση και βαφή σε νερό θερμοκρασίας 20°C. Ποιος χάλυβας αναμένεται να σκληράνει περισσότερο μετά από την θερμική κατεργασία και γιατί.

Δίνονται:

(α) Η χημική σύσταση (%w/w)των ανωτέρω χαλύβων:

C Cr Mo V W Mn

Z160CDV12 1,6 12,00 0,90 0,85 - -

Z85DCWV8-4-2-1 0,9 4,50 9,00 1,20 2,00 -

(β) Η σχέση Andrews:

Ms (°C) = 539-423(%C)-30(%Mn)-18(%Ni)-7, 5(%Mo)

Όπως αναφέρθηκε και στην απάντηση της προηγούμενης ερώτησης ,ο πιο σκληρός χάλυβας είναι αυτός με τη μεγαλύτερη π(C),καθώς το μεγαλύτερο ποσοστό σε C συνεπάγεται μικρότερη θερμοκρασία Ms. Έτσι αναμενόμενο να σκληράνει περισσότερο είναι ο χάλυβας Z160CDV12.

Χρησιμοποιώντας τη σχέση Andrews υπολογίζουμε :

Για τον εργαλειοχάλυβα Z160CDV12:

Ms(°C)=539-423*(1,6)-7,5*(0,9) Ms=-144,55°C

Για τον εργαλειοχάλυβα Z85DCWV8-4-2-1:

Ms(°C)=539-423*(0,9)-(7,5)*9 Ms=90,8°C.

(οι υπολογισμοί έγιναν στο μαθηματικό πακέτο Mat lab).

Επομένως ο εργαλειοχάλυβας Z160CDV12 με π(C) 1,6%w/w θα σκληράνει περισσότερο μετά τη θερμική κατεργασία αφού έχει και μεγαλύτερη π(C) και μικρότερη θερμοκρασία Ms, γεγονός που επιβεβαιώνεται και από την προαναφερθείσα θεωρία. Για περισσότερες πληροφορίες βλέπε <2>,<3>της βιβλιογραφίας.

ΣΤ).Βιβλιογραφία.

1)Τεχνολογία των κατεργασιών των υλικών: Πειραματικές ασκήσεις Εργαστηρίου, εκδόσεις Άνωση, Α.Μάμαλης.

2).Επιστήμη και τεχνολογία των μεταλλικών υλικών, εκδόσεις Παπασωτηρίου, Ιωάννης Χρυσουλάκης, Δημήτρης Παντελής.

3)Τεχνολογία των κατεργασιών των υλικών :Μεταλλικά τεχνικά υλικά, εκδόσεις Άνωση, Α.Μάμαλης.

4).Τεχνολογία των μεταλλικών υλικών, εκδόσεις ΕΜΠ,Ιωάννης Χρυσουλάκης.

5).Χρήσιμη διεύθυνση στο internet:http:/users.ntua. gr/manolako,

στον κόμβο με τις σημειώσεις του μαθήματος των τεχνικών υλικών.