Zagadnienia do egzaminu

1. Czynniki decydujące o doborze materiałów inżynierskich-ogólne względny koszt, gęstość. Mechaniczne- moduł sprężystości wytrzymałość, odporność na pękanie wskaźnik zmęczeniowy. Cieplne: przewodność cieplna, dyfuzyjność, pojemność cieplna, temp. Topnienia i zeszklenia, współczynnik rozszerzalności cieplnej, odporność na udary cieplne i na pełzanie. Zużycie: wskaźnik zużycia. Korozja: wskaźnik korozyjny2. Właściwości materiałów konstrukcyjnych- Fizyczne: struktura krystalograficzna, gęstość przewodnictwo cieplne, odporność elektryczna, właściwości magnetyczne, współczynnik rozszerzalności cieplnej, temp topnienia. Mechaniczne: wytrzymałość, twardość, plastyczność, udarność naprężenia własne. Chemiczne: absorpcja chemisorpcja, odporność na korozję chemiczną i elektrochemiczną. Specjalne: odporność na promieniowanie radioaktywne odporność na zatarcie, materiały stosowane w medycynie3. Eksploatacyjne właściwości materiałów-wytrzymałościowe: wytrzymałość zmeczeniowa na zmeczenie cieplne, na pełzanie. Tribologiczne:współczynnik tarcia, zużycie tribologiczne, odporność na zatarcie. Antykorozyjne: odporność na korozję cieplną, odporność na korozję, zużycie korozyjne. Dekoracyjne: barwa, połysk, odporność na starzenie4. Budowa materiałów /modele budowy atomu, wiązania krystaliczne, struktura krystaliczna, sieci translacyjne Bravais'ego- 1.Model Demokryta- (niepodzielna kulka) głosił, że atom jest niepodzielną, sztywną,bez struktury wewnetrznej kulą. 2.Model Thompsona- odkrycie elektronów, atom pozostał kulą, w której są mniejsze nieruchome kulki(elektrony) tak jak w cieście rodzynki. 3. Model jądrowy (Rutherforda) większość masy i całkowity ładunek dodatni skupiony jest w małej przestrzeni w centrum atomu zwanej jądrem, elektrony krążą wokół jądra.4. Model atomu Bohra- elektrony poruszają się wokół jądra po określonych orbitach, wyjąsnia jak się poruszają ale nie podaje przyczyny.5. Model kwantowy( ruch elektronów wokół jądra. Wiązania między atomami:a)wiązania pierwotne:- jonowe: silne (wtedy kiedy jeden drugiemu oddaje elektron i są różnie naładowane, energia wiązania może wynosić do 1000 kJ/mol)- atomowe (walencyjne) dwa atomy uwspólniają pary elektronów, dość silne, energia do 750 kJ/mol; występują głównie w grupach pierwiastków VI, VIII (pierwiastki główne), a czasem IV, V grupie.Te dwa wiązania mają wspólne to, że pozwalają określić gdzie znajdują się ich cząstki, jony.- niezlokalizowane- metaliczne- atomy krążą tworząc gaz jonowy (chmurę jonową), służą dobremu przewodnictwu elektrycznemu i cieplnemu; energia może być różna: od 70 kJ/mol do 850 kJ/mol(np.: Hg). Jest to też charakterystyczne dla wolframu- 30000C temp topnienia.b) wiązania wtórne:- wodorowe- przy różnych zależnościach energia nawet do 50 kJ/mol- Wan der Waalsa – energia około 30 kJ/mol

Rys. 2.3. Schemat powstawania wiązania jonowego w NaCI: a) przejście elektronu zatomu Na do Cl, b) utworzone jony, c) kryształ NaCI

Rys.2.4. Wiązanie atomowe w krzemie (brak elektronu w parze stanowi dziurę, dodatkowyelektron jest elektronem przewodnictwa)

1

sieci translacyjne Bravais'ego

5. Defekty struktury krystalicznej /defekty punktowe, liniowe, złożone-. Defektami punktowymi

nazywa się zakłócenia budowy krystalicznej umiejscowionewokół punktu. Najprostszym defektem tego typu jest brak atomu w węźle sieci przestrzennej, zwany wakansem albo luką.

Defektami liniowymi nazywa się zakłócenia budowy krystalicznej, które w jednymkierunku mają wymiar kilku odległości atomowych, a w drugim — całego ziarna lub znacznejjego części. Dyslokację krawędziową wywołuje obecność w przestrzennej sieci krystalicznedodatkowej półpłaszczyzny obsadzonej atomami (zw. ekstrapłaszczyzną), które krawędźstanowi dowolna linia brzegowa, nazywana linią dyslokacji. dyslokacja śrubowa, wyznacza granicę między przesuniętą i nieprzesuniętą częścią kryształu. Granica ta przebiega równolegle do kierunku poślizgu

6. Stopy metali /budowa stopów, fazy proste, roztwory, fazy stopowe (międzymetaliczne, Hume-Rothery'ego tzw. elektronowe, Lavesa, międzywęzłowe, o strukturach złożonych, Sigma),:

Stop- Tworzywo składające się z metalu stanowiącego osnowę, do którego wprowadzono co najmniej jeden pierwiastek w celu zmiany jego właściwości w żadanym kierunku. Stopy mogą być zbudowane z następujących faz:

Faz prostych ( pierwiastków) brak rozpuszczalności składników Roztworów stałych ( rozpuszczalność składników) : o nieograniczonej i ograniczonej

rozpuszczalności składników Faz międzymetalicznych

Faza- fizycznie odrębna, chemicznie jednorodna i teoretycznie dająca oddzielić cześć materiałuFazy międzymetaliczne- struktura i właściwości pośrednie między roztworem stałym i związkiem chemicznym. Cechy: struktura krystaliczna, uporządkowane rozmieszczenie atomów składników w sieci, wiązania metaliczneFazy elektronowe: zalicza się fazy międzymetaliczne tworzące się przy określonych wartościach stężenia elektronowego( faza HUME- ROTHERY’ego)Fazy Lavesa – faza międzymetaliczna, przypisuje się wzór stechiometryczny AB2, głównym czynnikiem wpływającym na ich powstanie jest stosunek promieni atmów składników Ra/Rb. Fazy te cechuje duża twardość i własności typowe dla stanu metalicznego.Fazy międzywęzłowe- są fazami czynnika wielkości. Powstają jeśli stosunek promieni atomowych pierwiastka niemetalicznego do metalu nie przekracza 0,59. Krystalizują się w sieci A1 A2 A3, w heksagonalnej prostej. Fazami są: wodorki, azotki, niektóre węgliki i borki. Właściwości: metaliczne, twarde, kruche, przewodzą prąd elektr, wysoka temp. topnienia, dobra odporność chemiczna.Fazy o strukturach złożonych –powstają jeśli stosunek promieni atomowych pierwiastka niemetalicznego do metalu przekracza 0,59

2

Fazy Sigma- fazy międzymetaliczne krystalizujące w sieci tetragonalnej, której komórka zawiera 30 atomów7. Wpływ struktury na własności materiałów:

- granica plastyczności- wytrzymałość na rozciąganie- twardość wydłużenie- odporność na pękanie- udarnośćWłasności sprężyste np. moduł Younga słabo zależą od mikrostrukturyProces wytwarzania np. walcowanie, ciągnienie, obróbka cieplna umożliwia zmianę mikrostruktury w bardzo szerokim zakresie.

8. Klasyfikacja przemian fazowych zachodzących w stopach metali:

Przemiany bezdyfuzyjne: martenzytyczna bainityczna

Przemiana dyfuzyjna : perlityczna, eutektoidalna

9. Przemiany dyfuzyjne /mechanizm przemiany dyfuzyjnej, zarodkowanie, dyfuzja, Dyfuzja — pod pojęciem dyfuzji rozumiemy jakiekolwiek względne zmiany rozmieszczenia atomów w sieci krystalicznej zachodzące pod wpływem wzbudzenia termicznego tzn. z wykorzystaniem energii drgań cieplnych atomów.Przemiana perlityczna- przemiana fazowa (termiczna) austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia stali (poniżej temperatury 723°C) nagrzanej do temperatury austenitu. Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu poniżej temperatury Arl (alotropowej), przemiana dyfuzyjna związana z przegrupowaniem atomów węgla zachodząca przez zarodkowanie i wzrost zarodków; zarodkowanie heterogeniczne na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziaren; kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu. PERLIT - mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu oraz cementytu.Przemiana martenzytyczna ma charakter bezdyfuzyjny i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do około 200oC. W wyniku przemiany powstaje martenzyt (przesycony roztwór węgla w Feα).Przemiana austenityczna rozpoczyna się zarodkowaniem austenitu na granicach międzyfazowych ferryt - cementyt i ma charakter dyfuzyjny. Szybkość zachodzenia przemiany austenitycznej zależy głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powyżej temperatury Ac1, (Ac3) przy grzaniu izotermicznym lub od szybkości nagrzewania przy grzaniu ciągłym oraz od ogólnej powierzchni granic międzyfazowych ferryt-cementyt, tj. dyspersji perlitu. Przemianę tę można rozważać w trzech następujących po sobie etapach:

• utworzenie austenitu niejednorodnego,• utworzenie austenitu jednorodnego,• rozrost ziaren austenitu.10. Przemiana bezdyfuzyjna /mechanizm przemiany bezdyfuzyjnej, płaszczyzna habitus, zależność

Kurdiumowa i Sachsa, produkty przemiany bezdyfuzyjnej

Przemiana martenzytyczna – bezdyfuzyjna przemiana przesyconego stopu żelaza zwanego austenitem, jaka zachodzi w czasie hartowania stali.

Aby z austenitu otrzymać martenzyt należy chłodzić z prędkością większą od krytycznej, (stycznej do wykresy CTPi w punkcie Ts=550'C). Następuje w sposób bezdyfuzyjny przemiana sieci z A1 w A2. Rozróżniamy dwa rodzaje martenzytu: iglasty i listwowy onieważ przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną rzadko kiedy dochodzi do końca (czyli wtedy kiedy 100% austenitu ulega przemianie). Austenit który nie uległ przemianie nazywany jest austenitem szczątkowym. Im większy udział procentowy (%C wagowy) tym więcej austenitu nie ulegnie przemianie. Austenit szczątkowy znacząco obniża właściwości wytrzymałościowe, ale jest niekiedy zjawiskiem pożądanym (np. stale narzędziowe szybkotnące wymagają około 20% austenitu szczątkowego ). Należy pamiętać także że temperatura Mf jest tym niższa im wiecej węgla w stopie (powyżej 0,5%C wagowych Mf osiąga wartości ujemne wartości)

Podczas przemiany martenzytycznej następuje skoordynowane przemieszczenie atomów bez zmiany sąsiadujących atomów dziedziczonych z austenitu, a na powierzchni próbki two-rzy się charakterystyczny relief. Możliwość przedstawienia sieci płaskocentrycznej (A1) austenitu jako tetragonalnej przestrzennie centrowanej pierwszy dostrzegł Bain (rys.8). Za-obserwował on, że sieć martenzytu można otrzymać z sieci A1 przez jej ściśnięcie w kierun-ku <100>. Stwierdzono jednak, że samo ściśnięcie nie może przekształcić jednej sieci w drugą, gdyż przy przemianie martenzytycznej występuje pewna płaszczyzna niezmiennicza (płaszczyzna

3

habitus), która nie podlega przekształceniu oraz nie zmienia swej orientacji w przestrzeni. Dlatego Kurdiumow i Sachs zaproponowali mechanizm przekształcenia komórki austenitu w martenzyt w dwóch kolejnych ścięciach sieci w określonych kierunkach.

11. Przemiany podczas nagrzewania – przemiana austenityczna /mechanizm przemiany, wpływ przemiany na wielkość ziarna, stale drobno- i gruboziarniste, wykres izotermiczny przemiany perlitu w austenit, ujednorodnienie austenitu/

Podczas nagrzewania stali, powyżej temperatury Ac1, rozpoczyna się przemiana perlitu w austenit, nazywana przemianą austenityczną. W stalach podeutektoidalnych po przekroczeniu temperatury Ac3 rozpoczyna się przemiana ferrytu w austenit, a w stalach nadeutektoidalnych po osiągnięciu temperatury Accm- proces rozkładu cementytu.

Przemiana austenityczna rozpoczyna się zarodkowaniem austenitu na granicach międzyfazowych ferryt - cementyt i ma charakter dyfuzyjny. Szybkość zachodzenia przemiany austenitycznej zależy głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powyżej temperatury Ac1, (Ac3) przy grzaniu izotermicznym lub od szybkości nagrzewania przy grzaniu ciągłym oraz od ogólnej powierzchni granic międzyfazowych ferryt-cementyt, tj. dyspersji perlitu. Przemianę tę można rozważać w trzech następujących po sobie etapach: utworzenie austenitu niejednorodnego, utworzenie austenitu jednorodnego, rozrost ziaren austenitu.

Bezpośrednio po zakończeniu przemiany austenitycznej otrzymany austenit jest niejednorodny i do pełnego wyrównania koncentracji węgla i innych pierwiastków stopowych konieczne jest dalsze wygrzewanie.

Przemianie perlitu w austenit towarzyszy rozdrobnienie ziarna (rys.3), jednak dalszy wzrost temperatury lub czasu austenityzowania sprzyja rozrostowi ziaren. Skłonność do rozrostu ziaren austenitu zależy w znacznym stopniu od rodzaju stali, które możemy podzielić na dwie grupy: stale drobnoziarniste o małej skłonności do rozrostu ziaren austenitu w zakresie temperatur do 900-950°C, stale gruboziarniste, w których rozrost ziaren austenitu następuje bezpośrednio po zakończeniu przemiany

austenitycznej.Rys. 3. Schemat wpływu

temperatury austenityzowania na wielkość ziarna austenitu w stalach drobno- i gruboziarnistych (DAD, DAG - wielkość ziarna austenitu w stali drobnoziarnistej i gruboziarnistej, DP - wielkość ziarna perlitu).

Głównym czynnikiem hamującym rozrost ziaren austenitu są dyspersyjne cząstki obcych faz, uniemożliwiające migrację granic ziaren. Do stali charakteryzujących się małą skłonnością do rozrostu ziaren należą m.in. stale odtleniane za pomocą aluminium (powstają dyspersyjne cząstki Al2O3 i AlN) oraz tale nadeutektoidalne i stopowe zawierające trudno rozpuszczalne węgliki. Stale drobnoziarniste umożliwiają stosowanie szerszego zakresu temperatury austenityzowania podczas obróbki cieplnej oraz wyższej temperatury obróbki plastycznej na gorąco. Drobnoziarnista struktura austenitu pierwotnego wpływa na poprawę właściwości mechanicznych i eksploatacyjnych stali normalizowanych, hartowanych i ulepszanych cieplnie.

12. Przemiany dyfuzyjne podczas chłodzenia /przemiana ferrytyczna, perlityczna, bainityczna,

- perlitycznaPrzemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu do zakresu temperatur pomiędzy temperaturą A r1, a

temperaturą minimalnej trwałości austenitu 500-550°C. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Przemiana perlityczna jest przemiany dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzi przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków (rys.5). Zarodkowanie perlitu przebiega homogenicznie na granicach ziaren austenitu czy nierozpuszczonych cząstkach innych faz, przy czym z danych doświadczalnych wynika, że w pierwszej kolejności powstaje płytka cementytu, powodując zubożenie zawartości węgla w otaczającym ją austenicie. Gdy stężenie węgla w

4

austenicie spadnie do poziomu odpowiadającego jego zawartości w ferrycie - powstaje płytka ferrytu, co prowadzi do wzbogacenia sąsiednich obszarów austenitu w węgiel do zawartości wymaganej dla powstania płytki cementytu. Kolonia perlitu rośnie poprzez dobudowywania nowych płytek ferrytu i cementytu oraz przez wzrost czołowy, który zachodzi na drodze dyfuzyjnego przegrupowywania atomów węgla.

W warunkach chłodzenia izotermicznego odległość między płytkami ferrytu i cementytu zmniejsza się wraz z przechłodzeniem austenitu. Na przykład w perlicie utworzonym w temperaturze 700°C odległość między płytkami wynosi ok.1m, a w perlicie utworzonym w temperaturze 600°C - 0,1 m.- bainityczna

Przemiana bainityczna zachodzi w stalach pomiędzy temperaturą najmniejszej trwałości austenitu a temperaturą początku przemiany martenzytycznej. Podczas chłodzenia izotermicznego w zależności od temperatury przemiany rozróżnia się bainit górny, tworzący się w zakresie temperatury poniżej minimalnej trwałości austenitu a temperaturą 350-400°C oraz bainit dolny powstający w temperaturze pomiędzy 350-400°C a temperaturą początku przemiany martenzytycznej.

Przemiana bainityczna rozpoczyna się od utworzenia zarodków ferrytu na granicach ziaren austenitu. Obecnie przyjmuje się, że przemiana sieci austenitu w sieć ferrytu jest typu martenzytycznego czyli zachodzi na drodze bezdyfuzyjnego ścinania. Natomiast węgliki tworzą się w wyniku dyfuzji węgla i zarodkowania nowej fazy. Wynika stąd, że bainit jest mieszaniną przesyconego węglem ferrytu i węglików. Cechą bainitu górnego jest to, że zarodki ferrytu krystalizują głównie na granicy ziaren austenitu, natomiast wydzielenie cementytu zachodzi na granicy międzyfazowej . Morfologia tworzącego się cementytu na granicach listew ferrytu zależy od zawartości węgla w stali. W stalach niskowęglowych występują izolowane cząstki cementytu, natomiast przy większych zawartościach cementyt przyjmuje postać cienkiej błonki węglików po granicach listew ferrytu. W bainicie dolnym zarodki ferrytu krystalizują na granicy ziaren austenitu oraz na już istniejących płytkach ferrytu. Istotną cechą bainitu dolnego jest również to, że wydzielanie się węglików zachodzi wewnątrz płytek ferrytu, przy czym w zależności od warunków przemiany, może wydzielić się cementyt lub węglik . Węglik o wzorze chemicznym Fe24C zawiera 8,4% C i krystalizuje w układzie heksagonalnym; wydziela się podczas przemiany bainitycznej oraz odpuszczania niskiego.

Wraz z obniżeniem temperatury przemiany bainitycznej maleje wielkość listew ferrytu bainitycznego oraz wielkość cząstek węglików, a rośnie ich liczba. Rozdrobnienie listew ferrytu bainitycznego rośnie również ze wzrostem zawartości węgla w stali. Pod względem morfologicznym bainit górny jest bardziej zbliżony do perlitu drobnego, a bainit dolny do martenzytu. Oprócz bainitu górnego i dolnego wyróżnia się jeszcze bainit czysto ferrytyczny, występujący w stalach niskowęglowych oraz bainit inwersyjny, tworzący się w stalach nadeutektoidalnych powyżej temperatury 350°C.

13. Przemiana ferrytyczna /mechanizm przemiany ferrytycznej, produkty przemiany ferrytycznej, budowa i właściwości ferrytu, wpływ szybkości chłodzenia na morfologię ferrytu/,

Ferryt – roztwór stały międzywęzłowy węgla w żelazie α zawierający niewielkie ilości, mniejsze niż 0,025%, węgla oraz niekiedy inne dodatki stopowe.

Wypolerowany przekrój ferrytu oglądany pod mikroskopem w powiększeniu 250x wykazuje strukturę ziarnistą, posiadającą jasnoszary kolor. Jako że cała zawartość węgla rozpuszczona jest w sieci krystalicznej żelaza, nie jest widoczny jako oddzielna faza. Ferryt jest to jedna z odmian alotropowych stali, stabilna do temperatury przemiany eutektoidalnej (układ żelazo-węgiel) - do temp. 770 °C, jest materiałem miękkim i ciągliwym, mniej wytrzymałym i twardym, ale bardziej plastycznym niż austenit. Ferromagnetyk do temperatury Curie wynoszącej 770 °C.Twardość: 80 HB - Skala twardości BrinellaWytrzymałość materiałów: Rm = 300 MPaWydłużenie (wytężenie) - A5 = ok. 40%

14. Przemiana perlityczna /mechanizm przemiany perlitycznej, produkty przemiany perlitycznej, budowa i właściwości perlitu, wpływ szybkości chłodzenia na budowę i właściwości perlitu/,

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu do zakresu temperatur pomiędzy temperaturą A r1, a temperaturą minimalnej trwałości austenitu 500-550°C. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Przemiana perlityczna jest przemiany dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzi przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków (rys.5). Zarodkowanie perlitu przebiega homogenicznie na granicach ziaren austenitu czy nierozpuszczonych cząstkach innych faz, przy czym z danych doświadczalnych wynika, że w pierwszej kolejności powstaje płytka cementytu, powodując zubożenie zawartości węgla w otaczającym ją austenicie. Gdy stężenie węgla w austenicie spadnie do poziomu odpowiadającego jego zawartości w ferrycie - powstaje płytka ferrytu, co

5

prowadzi do wzbogacenia sąsiednich obszarów austenitu w węgiel do zawartości wymaganej dla powstania płytki cementytu. Kolonia perlitu rośnie poprzez dobudowywania nowych płytek ferrytu i cementytu oraz przez wzrost czołowy, który zachodzi na drodze dyfuzyjnego przegrupowywania atomów węgla.

W warunkach chłodzenia izotermicznego odległość między płytkami ferrytu i cementytu zmniejsza się wraz z przechłodzeniem austenitu. Na przykład w perlicie utworzonym w temperaturze 700°C odległość między płytkami wynosi ok.1m, a w perlicie utworzonym w temperaturze 600°C - 0,1 m.

Perlit jest eutektoidalną mieszaniną ferrytu i cementytu, zawierającą 0,8% węgla. Perlit składa się z 87% ferrytu i 13% cementytu. Powstaje on z rozkładu austenitu przy temperaturze 723oC. W stalach wolno chłodzonych perlit posiada budowę pasemkową, tj. zbudowany jest z na przemian ułożonych płytek ferrytu i cementytu. Cienkie płytki kruchego cementytu w miękkim i plastycznym ferrycie nadają perlitowi większą twardość i wytrzymałość przy gorszych właściwościach plastycznych, wszelako bez objawów kruchości. Stal eutektoidalna o strukturze czysto perlitycznej wykazuje następujące własności: HB = ok. 240, Rm = ok. 850 MPa, A5 = ok. 10%; dane te dotyczą perlitu grubopasemkowego. Ze zmniejszającą się grubością pasemek ferrytu i cementytu, tj. ze wzrastającym stopniem dyspersji perlitu, wzrasta jego twardość i wytrzymałość przy obniżeniu właściwościach plastycznych.

15. Przemiana bainityczna /mechanizm przemiany bainitycznej, produkty przemiany bainitycznej, budowa i właściwości bainitu górnego i dolnego /,

Przemiana bainityczna zachodzi w stalach pomiędzy temperaturą najmniejszej trwałości austenitu a temperaturą początku przemiany martenzytycznej. Podczas chłodzenia izotermicznego w zależności od temperatury przemiany rozróżnia się bainit górny, tworzący się w zakresie temperatury poniżej minimalnej trwałości austenitu a temperaturą 350-400°C oraz bainit dolny powstający w temperaturze pomiędzy 350-400°C a temperaturą początku przemiany martenzytycznej.

Przemiana bainityczna rozpoczyna się od utworzenia zarodków ferrytu na granicach ziaren austenitu. Obecnie przyjmuje się, że przemiana sieci austenitu w sieć ferrytu jest typu martenzytycznego czyli zachodzi na drodze bezdyfuzyjnego ścinania. Natomiast węgliki tworzą się w wyniku dyfuzji węgla i zarodkowania nowej fazy. Wynika stąd, że bainit jest mieszaniną przesyconego węglem ferrytu i węglików. Cechą bainitu górnego jest to, że zarodki ferrytu krystalizują głównie na granicy ziaren austenitu, natomiast wydzielenie cementytu zachodzi na granicy międzyfazowej . Morfologia tworzącego się cementytu na granicach listew ferrytu zależy od zawartości węgla w stali. W stalach niskowęglowych występują izolowane cząstki cementytu, natomiast przy większych zawartościach cementyt przyjmuje postać cienkiej błonki węglików po granicach listew ferrytu. W bainicie dolnym zarodki ferrytu krystalizują na granicy ziaren austenitu oraz na już istniejących płytkach ferrytu. Istotną cechą bainitu dolnego jest również to, że wydzielanie się węglików zachodzi wewnątrz płytek ferrytu, przy czym w zależności od warunków przemiany, może wydzielić się cementyt lub węglik . Węglik o wzorze chemicznym Fe24C zawiera 8,4% C i krystalizuje w układzie heksagonalnym; wydziela się podczas przemiany bainitycznej oraz odpuszczania niskiego.Wraz z obniżeniem temperatury przemiany bainitycznej maleje wielkość listew ferrytu bainitycznego oraz wielkość cząstek węglików, a rośnie ich liczba. Rozdrobnienie listew ferrytu bainitycznego rośnie również ze wzrostem zawartości węgla w stali. Pod względem morfologicznym bainit górny jest bardziej zbliżony do perlitu drobnego, a bainit dolny do martenzytu. Oprócz bainitu górnego i dolnego wyróżnia się jeszcze bainit czysto ferrytyczny, występujący w stalach niskowęglowych oraz bainit inwersyjny, tworzący się w stalach nadeutektoidalnych powyżej temperatury 350°C.

Bainit to mieszanina przesyconego ferrytu i wydzielonych węglików. Powstaje w wyniku przemiany bainitycznej. Ma ona charakter częściowo dyfuzyjny. Wraz z obniżaniem temperatury przemiany zwiększa się udział przemiany bezdyfuzyjnej i twardość bainitu. Twardość bainitu jest mniejsza od twardości martenzytu.

6

Rys. 5. Schemat przebiegu przemiany perlitycznej: a) tworzenie się płytek cementytu i ferrytu, b) zapoczątkowanie przemiany perlitycznej na granicach ziaren austenitu, c) wzrost perlitu.

Wyróżnia się dwa rodzaje bainitu:

bainit górny - powstaje w wyniku przemiany zachodzącej w temperaturze powyżej 400°C. Składa się z cementytu oraz przesyconego ferrytu. Jest strukturą niekorzystną ze względu na kruche pękanie.

bainit dolny - powstaje w wyniku przemiany zachodzącej w temperaturze poniżej 400°C. Składa się z węglika ε oraz przesyconego ferrytu. Jest on twardszy od bainitu górnego, gdyż wydzielone węgliki są bardziej dyspersyjne.

Stale bainityczne charakteryzują się znacznie mniejszymi naprężeniami niż stale martenzytyczne dzięki czemu nie jest potrzebna obróbka cieplna po hartowaniu.

16. Przemiana matrtenzytyczna /mechanizm przemiany matrtenzytycznej, produkty przemiany matrtenzytycznej, budowa i właściwości martenzytu, klasyfikacja martenzytu, wpływ węgla na budowę i właściwości martenzytu, wpływ węgla na temperaturę MS i Mf oraz zawartość austenitu szczątkowego, austenit szczątkowy/

- Przemiana martenzytyczna.

Przemiana martenzytyczna (nazywana przemianą bezdyfuzyjną lub ścinającą) zachodzi w stalach po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury Ms (ang. martensite start) z prędkością równą lub większą od prędkości krytycznej (rys. 4b). W wyniku powyższej przemiany powstaje martenzyt tj. przesycony roztwór węgla w żelazie , o strukturze tetragonalnej, powstającej przez zniekształcenie komórki sieci A2 (ferrytu) obecnością atomów węgla w lukach oktaedrycznych. Parametry sieci tetragonalnej martenzytu, a tym samym jego właściwości zależą głównie od zawartości węgla w martenzycie. Martenzyt cechuje wysoka twardość i mała ciągliwość spowodowana obniżeniem symetrii sieci i wysokimi naprężeniami wywołanymi przez atomy międzywęzłowe oraz obecność defektów sieciowych (dyslokacji, mikrobliźniaków).

Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się po przekroczeniu temperatury Ms i zachodzi z bardzo dużą prędkością 1000-7000 m/s. Czas tworzenia jednej płytki martenzytu wynosi ok.10-7s. Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie temperatury aż do osiągnięcia temperatury M f (ang. martensite finish), poniżej której przemiana martenzytyczna nie zachodzi, pomimo pozostania w strukturze pewnej ilości austenitu.

Przyczyną pozostawania w strukturze pewnej ilości austenitu (zwanego austenitem szczątkowym) jest znaczny wzrost objętości martenzytu w porównaniu z austenitem o około 3-4%, co powoduje wzrost naprężeń ściskających w strukturze i zahamowanie dalszej przemiany austenitu. Ilość austenitu szczątkowego po przemianie martenzytycznej zależy od: zawartości węgla w stali, temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej, temperatury austenityzowania stali i szybkości chłodzenia w zakresie temperatur Ms i Mf.

Wpływ węgla na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej oraz zawartość austenitu szczątkowego w stali węglowej przedstawiono na rys.6 i 7. W miarę wzrostu zawartości węgla w stali zarówno temperatura Ms, jak i Mf ulega obniżeniu, przy czym w stalach o zawartości ponad 0,6% C temperatura M f leży poniżej zera °C i dla zmniejszenia ilości austenitu szczątkowego w strukturze konieczne jest przeprowadzenie obróbki podzerowej (tzw. wymrażania). Ilość austenitu szczątkowego w stali wzrasta również jeżeli podczas chłodzenia w zakresie temperatur Ms i Mf próbka zostanie izotermicznie wytrzymana.

Rys. 6. Wpływ węgla na temperaturę przemiany martenzytycznej (Ms i Mf) szczątkowego.

Rys. 7. Wpływ węgla na zawartość austenitu.

7

Podczas przemiany martenzytycznej następuje skoordynowane przemieszczenie atomów bez zmiany sąsiadujących atomów dziedziczonych z austenitu, a na powierzchni próbki tworzy się charakterystyczny relief. Możliwość przedstawienia sieci płaskocentrycznej (A1) austenitu jako tetragonalnej przestrzennie centrowanej pierwszy dostrzegł Bain (rys.8). Zaobserwował on, że sieć martenzytu można otrzymać z sieci A1 przez jej

ściśnięcie w kierunku <100>. Stwierdzono jednak, że samo ściśnięcie nie może przekształcić jednej sieci w drugą, gdyż przy przemianie martenzytycznej występuje pewna płaszczyzna niezmiennicza (płaszczyzna habitus), która nie podlega przekształceniu oraz nie zmienia swej orientacji w przestrzeni. Dlatego Kurdiumow i Sachs zaproponowali mechanizm przekształcenia komórki austenitu w martenzyt w dwóch kolejnych ścięciach sieci w określonych kierunkach.

W stalach niskowęglowych martenzyt ma zwykle kształt listew o orientacji płaszczyzny habitus {111}, w stalach o zawartości węgla od 0,5 do 1,4% płaszczyzną habitus jest płaszczyzna {225}, a w stalach o zawartości węgla powyżej 1,4% płaszczyzna {259}.

Martenzyt listwowy (rys.10a) powstaje w wyniku odkształcenia przez poślizg. Pojedynczy kryształ martenzytu ma kształt listwy o kierunku <111> o wymiarach w stosunku 1:7:30 i szerokości od 0,1-3 m. Zgrupowane równolegle listwy tworzą pakiety. Poszczególne listwy martenzytu oddzielone są granicami małego kąta oraz bliźniaczymi, natomiast pakiety tworzą między sobą granice dużego kąta. Pakiety martenzytu listwowego tworzą się podczas przemiany martenzytycznej w stalach nisko- i średniowęglowych.

Podział martenzytu ze względu na morfologię, przedstawiono na rys. 9.

Rys. 9. Klasyfikacja struktur martenzytycznych w stalach.

Rys. 10. Morfologia martenzytu w stalach węglowych: a) listwowy, b) płytkowy.

Martenzyt płytkowy (rys.10b), którego powstawanie związane jest z dominowaniem ścinania przez bliźniakowanie. Płytki martenzytu mają kształt soczewek o bardziej lub mniej regularnej (w zależności od stopnia zbliźniaczenia) powierzchni oraz zróżnicowanych wymiarach. W martenzycie całkowicie zbliźniaczonym płaszczyzny ograniczające płytki są całkowicie gładkie, natomiast w częściowo zbliźniaczonym nieregularne. Poszczególne płytki martenzytu są oddzielone między sobą austenitem szczątkowym. Martenzyt płytkowy występuje w stalach wysokowęglowych oraz niektórych stalach stopowych.

17. Klasyfikacja obróbki cieplnej staliObróbkę cieplną dzielimy na:

- zwykłą- cieplno-chemiczną- cieplno-plastyczną- cieplno-magnetyczną

18. Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej:

Rys. 8. Schemat przekształcenia sieci austenitu w sieć martenzytu.

8

Obróbka cieplna (zwykła):Wyżarzanie: ujednorodniające, normalizujące, zupełne, niezupne, izotermiczne, sferoizydujące perlityzujące, grafityzujące, stabilizujące przeciwpłatkowe odprężające, rekrystalizujące

19. Wyżarzanie stali /klasyfikacja wyżarzania, temperatura wyżarzania, struktura i właściwości stali po wyżarzaniu, zastosowanie wyżarzania/

Temperatura wyżarzania poniżej temp. AC1Wyżarzanie Przez wyżarzanie rozumie się zabiegi cieplne których celem jest uzyskanie struktury w obrabianym materiale zbliżone do stanu równowagi termodynamicznej. Wyżarzania polega na nagrzaniu materiału do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z odpowiednią szybkością.

Ze względu na temperaturę, w której wyżarzanie przebiega dzieli się na: Wyżarzanie z przekrystalizowaniem, Wyżarzanie bez przekrystalizowania.

Procesy wyżarzania bez przekrystalizowaniaWyżarzania rekrystalizujące Przeprowadza się po obróbce na zimno Polega na nagrzaniu materiały do temperatury wyższej od temperatury początku rekrystalizacji, wygrzanie w temperaturze i chłodzenie, Celem wyżarzania rekrystalizującego jest usunięcie skutków zgniotu i przywracanie pierwotnych właściwości materiału.

Wyżarzanie odprężające Odprężanie polega na nagrzaniu materiału do temperatury poniżej Ac1, najczęściej 600-650 °C, wygrzaniu w tej temperaturze i ponownym studzeniu. Celem wyżarzania jest zmniejszenie naprężeń własnych bez wyraźnych zmian struktury i właściwości uzyskanych w wyniku wcześniejszej obróbki, stosowane jest do odlewów staliwnych, elementów spawanych oraz utwardzonych przez odkształcenia plastyczne.

Wyżarzanie stabilizujące Przeprowadza się w temperaturze od 150 °C i ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Najczęściej jest stosowane od narzędzi, sprawdzianów, odlewów żeliwnych, walców hutniczych itp. Jeżeli wyżarzanie przebiega w temperaturze otoczenia w czasie od kilku miesięcy do kilku lat, to nosi nazwę sezonowanie.

Procesy wyżarzania z przekrystalizowaniemWyżarzanie ujednorodniające [Homogenizujące] polega na nagrzaniu do temperatury 1000-1200°C (o około 100-200°C niższe od temperatury solidusu), długotrwałym wygrzaniu w tej temperaturze aż do wyrównania składu chemicznego oraz powolnym chłodzeniu. Celem zabiegu jest zmniejszenie niejednorodności składu chemicznego.

Wyżarzanie normalizujące Normalizowanie polega na nagrzaniu do stanu austenitycznego, tzn. 30-50 °C powyżej temperatury linii GSE (Ac3 Accm) i następnie studzeniu drobnoziarnistej, a przez to prawa właściwości mechanicznych stali. Jest stosowane do niestopowych stali konstrukcyjnych i staliwa – często przed dalszą obróbka cieplną w celu ujednorodnienia struktury.

Wyżarzanie zupełne Polega na nagrzaniu stali jak przy wyżarzaniu normalizującym i powolnym studzeniu (np. z pieca) Celem zabiegu jest zmniejszenie twardości, usuwanie naprężeń własnych, poprawa ciągliwości stali. Procesowi temu poddaje się zwykle stale stopowe, dla których szybkość chłodzenia w spokojnym powietrzu podczas normalizowaniu jest za duże i może prowadzić do zahartowania stali.

Wyżarzanie izotermiczne Jest odmianą wyżarzania zupełnego i polega na nagrzaniu stali do 30-35 °C powyżej temperatury Ac3, Accm wygrzaniu w tej temperaturze, szybkim chłodzeniu do temperatury zawartej

9

pomiędzy temperaturą Ar1 a temperaturą najmniejszej twardości przechłodzonego austenitu i izotermicznym wytrzymaniu w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany perlitycznej.

Wyżarzanie sferoidalne [Zmiękczanie] polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze do 20 °C powyżej lub poniżej temperatury. Najbardziej efektywne jest wygrzewanie wahadłowe wokół temperatury Ac1, trudne jednak do realizacji w warunkach przemysłowych. W wyniku operacji wyżarzania sferoidalnego uzyskuje się strukturę cementytu kulkowego w osnowie ferrytycznej tzw. Sferoidyt. Strukturę taką odznacza się najmniejszą twardością, dobrą skrawalnością oraz podatnością na odkształcenia plastyczne w czasie obróbki plastycznej na zimno.

20. Hartowanie stali /klasyfikacja hartowania, struktura i właściwości stali po hartowaniu, hartowność stali, metody badania hartowności, zastosowanie hartowania

Hartowanie polega na nagrzaniu stali do temperatury austenityzowania krótkim wyżarzaniu w tej temperaturze i oziębianiu z szybkością umożliwiającą uzyskanie struktury martenzytowej lub bajnitowej. Podczas hartowania stali niestopowych oraz niskostopowych materiał nagrzewamy do temperatury 30-50 °C powyżej linii GSK Stal wysokostopowe (nierdzewne, szybkotnące) nagrzewamy do temperatury znacznie wyższej (1100-1200 °C w celu rozpuszczenia się w austenicie węglików i maksymalnego nasycenia roztworu stałego pierwiastkami stopowymi.

W zależności od sposobu chłodzenia wyróżnia się hartowanie: Zwykłe (ciągłe) Stopniowe Z pamięcią izotermicznąZe względu na zasięg austenityzowania obrabianego cieplnie przedmioty hartowania dzielimy na: Objętościowe

PowierzchnioweHartowanie powierzchniowe w zależności od sposobu nagrzewania dzielimy na: Indukcyjne Płomieniowe Kąpielowe Wiązkowe (laserowe, elektronowe, jonowe)

Hartowność stali – jest to zdolność to tworzenia struktury martenzytycznej. Właściwość ta jest ściśle z krytyczna szybkością chłodzenia stali; im większa jest wymagana szybkość chłodzenia stali, tym hartowność stali jest mniejsza.Z pojęciem hartowności związane SA następujące cechy: Głębokość hartowania\ Maksymalna twardość uzyskiwana na powierzchni Skłonność do tworzenia rys i pęknięć hartowniczych.

Do najczęściej stosowanych metod określania hartowności stali jest metoda Jominy’ego – polega ona na hartowaniu czoła próbki walcowej strumieniem wody. Po zahartowania dokonuje się pomiaru twardości metoda Rockwella w skali C w odległości od czoła próbki. Następnie sporządza się wykres hartowności stali w układzie współrzędnych: twardość HRC – odległość od czoła. Powyższa metoda jest stosowana do określenia hartowności stali o średniej hartowności

21. Odpuszczanie stali /klasyfikacja odpuszczania, przemiany podczas odpuszczania, wpływ odpuszczania na zmiany strukturalne i właściwości materiałów/,

Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac1 wygrzaniu w tej temperaturze następnie schłodzeniu do temperatury pokojowej.W zależności od temperatury w jakiej wykonywany jest proces rozróżnia się: Niskie 100-250 stopni C Średnie 250-500 stopni C Wysokie 500-Ac1 stopni C

Połączenie hartowania z odpuszczaniem niskim nazywamy utwardzanie cieplnym, natomiast połączenie hartowania z odpuszczaniem wysokim lub średnim nazywamy ulepszaniem cieplnym.

10

Odpuszczanie niskieCelem odpuszczania niskiego jest zmniejszenie naprężeń hartowniczych, skłonności do pękania oraz zachowanie dużej twardości i odporności na ścieranie.W wyniku odpuszczania niskiego otrzymuje się strukturę martenzytu

Z najczęściej stosowanych metod określania hartowności stali jest metoda hartowania od czoła (kominy`ego).Polega ona na hartowaniu od czoła próbki walcowanej strumieniem wody.Po zahartowaniu dokonuje pomiarów twardości metodą Rockwelle w skali C w odległości od czoła próbki.Następnie sporządza się wykres hartowności stali w układzie współrzędnych twardości HRC – odległość od czołaROZPUSZCZANIERozpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej niż AC1 wytrzymaniu w tej temp. i chłodzeniu do temp pokojowej.W zależności od temperatury w której przeprowadzony jest proces rozróżnia się odpuszczanie:-niskie 100-250 C-średnie 250-500 C-wysokie 500-AC1

Połączenie hartowania z odpuszczaniem niskim nazywamy utwardzaniem cieplnym, natomiast połączenie hartowania z odpuszczaniem wysokim lub średnim nazywamy ulepszaniem cieplnym.Odpuszczanie niskie- celem odpuszczania niskiego jest zmniejszenie naprężeń hartowniczych- w wyniku odpuszczania niskiego otrzymuje się strukturę martenzytu niskoodpuszczonego który w stalach węglowych jest mieszanina martenzytu tetragonalnego, wydzielonego węglika i austenitu szczątkowego.Odpuszczanie średnie- jest stosowany w celu nadania obrabianym elementom wysokiej granicy sprężystości przy zachowanej dużej wytrzymałości i równoczesnym ulepszeniu ich właściwości plastycznych- twardość struktury nieznacznie się zmniejsza- odpuszczanie średnie jest stosowane głównie do stali sprężynowych, stali konstrukcyjnych- po odpuszczeniu średnim struktura stali węglowych składa się z martenzytu średnio odpuszczonego tj. martenzytu regularnego, wydzielonego cementytuOdpuszczanie wysokie- stosowany głównie do stali konstrukcyjnych w celu otrzymania najbardziej korzystnych właściwości wytrzymałościowych, plastycznych tj. dużej udarności i wydłużenia przy maksymalnym stosunku Re/Rm

- struktura stali po wysokim odpuszczeniu składa się z sferoidalnych wydzieleń cementytu w osnowie ferrytycznej

22. Przesycanie i starzenieStarzenie - Operacja obróbki cieplnej stopów metali uprzednio przesyconych; polega na wygrzaniu ich w temperaturze odpowiednio niższej od temperatury przesycenia w celu wydzielenia z roztworu stałego przesyconego fazy (lub faz) o odpowiednim stopniu dyspersji, zawierającej składnik stopowy, znajdujący się w roztworze w nadmiarze.

Przesycanie - jest zabiegiem cieplnym któremu poddawana jest stal w celu stabilizacji austenitu. Polega na nagrzaniu stali do temperatury, w której nastąpi przemiana austenityczna, a następnie tak jak w hartowaniu szybkie schładzanie. Różnicą pomiędzy hartowaniem a przesycaniem jest to, że przy przesycaniu unika się zajścia przemiany martenzytycznej. W związku z tym, przesycanie daje się zastosować tylko dla stali, w których początek przemiany martenzytycznej jest niższy od temperatury otoczenia, czyli dla stali wysokowęglowych lub zawierających dodatki stopowe obniżające tę temperaturę i stabilizujących austenit, takich jak chrom. Uzyskanie stabilnego austenitu zwiększa odporność stali na korozję.

23. Wady powstające podczas obróbki cieplnej /klasyfikacja, przyczyny powstawania, ich wpływ na strukturę i właściwości materiałów/,

Wadliwie dobrana lub niedokładnie przestrzegana technologia obróbki cieplnej jest przyczyną wad występujących najczęściej po hartowaniu i odpuszczaniu. Nie wystarczająca twardość po zahartowaniu spowodowana obecnością w strukturze składników pozamartenzytycznych, może być wywołana: zbyt niską

11

temp albo zbyt krótkim austenityzowania( ferryt), albo za małą szybkością chłodzenia(perlit drobny, bainit). Nadmierna kruchość wywołana gruboiglasty martyenzyten jest spowodowana przegrzaniem podczas austenityzowania. Tzw. Miękkie plamy (obszary powierzchni o mniejszej twardości) mogą być spowodowane nierównomiernym chłodzeniem lub niejednorodnością struktury wyjściowej stali. Odkształcenia, tzw paczenia i pęknięcia przedmiotów hartowanych są spowodowane zbyt szybkim, a zwłaszcza nierównomiernym chłodzeniem. Ten rodzaj wad jest potęgowany przedłużaniem czasu między zabiegami hartowania i odpuszczania. Typową wadą po odpuszczaniu jest nieodpowiednia twardość

24. Wytwarzanie warstw powierzchniowych, metody wytwarzania warstw powierzchniowych, Metody wytwarzania warstw powierzchniowych mechaniczne cieplno mechaniczne cieplno chemicznie chemiczne i elektrochemiczne fizyczne

Ad2. grubość warstwy kilkadziesiąt μm do kilku mm, warstwy wierzchnie powłoki: Natryskiwanie gazowe plazmowe łukowe detonacyjne

natapianie natryskowe platerowanie naporowe [walcowanie, tłoczenie, ciągnienie} detonacyjne skurczowe

utwardzanie detonacyjne: laserowe elektronowe wybuchowe

obróbka plastyczna na gorąco walcowanie kucie

Ad 3 .grubość warstwy części mm do kilku mm, warstwy wierzchnie powłoki:Hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie indukcyjnie płomieniowe plazmowe laserowe elektronowe

nadtapianie [obtapianie, szkliwienie, wygładzanie] laserowe elektronowe płomieniowe plazmowe

napawanie: łukowe płomieniowe

natapianie: laserowe elektronowe elektroiskrowe

Ad 4. grubość warstwy kilkadziesiąt μm do kilka mm, warstwy wierzchnie powłoki:Nasycanie: dyfuzyjnie niewspomagane: proszkowe, kąpielowe, gazowe, obejmujące metody klasyczne z udziałem pierwiastków niemetalicznych, jak: nawęglanie azotowanie węgloazotowanie borowanie nasiarczanie itp.

12

Klasyczne z udziałem pierwiastków metalicznych, jak: cynkowanie, cynowanie, aluminiowanie, itp. Klasyczne z udziałem pierwiastków niemetalicznych Dyfuzyjne, wspomaganie jarzeniowo, CVD

Stopowanie: Laserowe Elektronowe

Ad 5. grubość warstwy kilka μm do kilka mm, warstwy wierzchnie, powłokiOsadzanie bezpośrednie tworzywa metalowego lub niemetalowego, w tym

Nanoszenie powłok malarskich Nanoszenie powłok z tworzyw sztucznych

Osadzanie elektrolityczne metali bądź stopów [galwanizacja], w tym nanoszenie powłok jedno- i dwuwarstwowych w procesach:

o Chromowaniao Niklowaniao Cynkowaniao Cynowani, itp.

Osadzanie konwersyjne powłoki: Chromianowe Fosforanowe Tlenkowe, itp.

Trawienie i polerowanie: Chemiczne Elektrochemiczne

Ad 6. warstwy wierzchnie powłoki;Osadzanie z warstwy gazowej:

Naparowanie Napylenie Rozpylenie

Implantowanie jonów [stopowanie jonowe], Pierwotnych Wtórnych

Warstwy powierzchniowe mogą być: Warstwami wierzchnimi powłokami

25. Obróbka cieplno-chemiczna, klasyfikacja obróbki cieplno-chemicznej, procesy zachodzące podczas obróbki cieplno-chemicznej

Obróbka cieplno chemiczna stali:Jest dziedziną obróbki cielnej obejmujący zespół operacji i zabiegów umożliwiające zmianę składu chemicznego i struktury warstwy powierzchniowej stopu w wyniku zmian temperatury i chemicznego oddziałowywania ośrodka. Obróbka cieplno – chemiczna polega zatem na zamierzonej dyfuzyjnej zmianie składu chemicznego warstwy powierzchniowej elementów metalowych w celu uzyskania odpowiednich ich własności użytkowych. Obróbce cieplno – chemicznej poddaje się zwykle stopy żelaza, głównie stale. Obróbce cieplno – chemicznej poddawane są zarówno elementy konstrukcyjne, w tym elementy maszyn, jak i narzędzia. Celem obróbki cieplno – chemicznej jest wytworzenie warstw powierzchniowych o zwiększonej odporności na ścieranie i zużycie tribologiczne, o zwiększonej odporności korozyjnej i erozyjnej, często zwiększanie odporności elementów na zmęczenie lub poprawia niektórych własności fizycznych powierzchni.

13

Obróbka cieplno – chemiczna , poza przekazywaniem ciepła, jest związana z transportem masy .

Najogólniej w procesie transportu masy można wyróżnić pięć procesów składowych do których należą : reakcje w ośrodku nasycającym, związane z tworzeniem czynnika umożliwiającego transport składnika nasycającego ; dyfuzja w ośrodku nasycającym, polegająca na dopływie składnika dyfundującego do powierzchni metalu i często na odpływie produktów reakcji tworzących się na granicach rozdziału faz, reakcje na granicach rozdziału faz, dyfuzja w metalu, reakcje w metalu np. tworzenie się roztworów stałych lub wydzieleń faz.

Wytwarzanie ośro dka nasycającego:

atomy jednego lub kilku pierwiastków nasycających powstają w wyniku reakcji wymiany, dysocjacji lub redukcji; absorpcja polega na osadzaniu się wolnych atomów, z fazy gazowej lub ciekłej, na granicy fazy stałej w postaci warstewki o grubości jednego atomu. Przyczyną adsorpcji są siły przyciągania atomów ośrodka gazowego lub ciekłego przez niewysycone rdzenie atomów występujących na powierzchni metalu. Zjawisko to jest nazywane adsorpcją fizyczną.

Prawa Ficka opisują następujące zależności :

Pierwsze prawo Ficka określa strumień dyfuzji „J” składnika nasycającego :

gdzie :D – współczynnik dyfuzji,

- gradient stężenia pierwiastka dyfundującego, Q 0 energia aktywacji dyfuzji, k - stała

Boltzmanna, T - temperatura w skali bezwzględnej, D0 – stała zależna od struktury krystalicznej metalu.Drugie prawo Ficka opisuje zależność rozkładu stężenia składnika od czasu :

26. Nawęglanie /klasyfikacja, ośrodki, reakcja Boudouarda, parametry nawęglania, budowa warstwy wierzchniej po nawęglaniu (struktura, głębokość, zawartość węgla - w zależności od parametrów obróbki), zastosowanie, wady i zalety nawęglania, obróbka cieplna po nawęglaniu/,

Nawęglanie polega na nasyceniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas ogrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy . Nawęglanie odbywa się najczęściej w temperaturze 900 – 950 stopni Celsjusza . grubość warstwy nawęglonej, która zwykle osiąga 0,5 – 2 mm decyduje czas nawęglania, który dobiera się tak, aby skład fazowy warstwy powierzchniowej odpowiadał strukturze stali eutektoidalnej

STRUKTURA WARSTWY NAWĘGLONEJW warstwie nawęglonej stali węglowych można wyróżnić kilka stref: nadeutektoidalną – o strukturze perlitu z cementytem, w niektórych przypadkach występującego w postaci szkodliwej siatki na granicach ziarn perlitu, eutektoidalną – o strukturze perlitycznej , podeutektoidalną - o strukturze perlityczno – ferrytycznej ,

Kryterium podziału

Grupy metod obróbki cieplno - chemicznej

Stan ośrodka nasycającego

w ośrodku stałymw ośrodku ciekłymw ośrodku gazowym

Rodzaj pierwiastka nasycającego

nasycanie metalami nasycanie niemetalaminasycanie niemetalamikompleksowe nasycanie metalami i niemetalami

Temperatura operacji

niskotemperaturowe, < 600°Cwysokotemperaturowe, > 600°C

Liczba cykli w procesie

jednostopniowedwustopniowetrójstopniowe

Sposób wytwarzania warstwy dyfuzyjnej

regulowanenieregulowane

14

W stalach stopowych w warstwie nawęglonej występują dodatkowo węgliki stopowe .

ZASTOSOWANIE NAWĘGLANIA Nawęglanie z następnym hartowaniem i niskim odpuszczaniem zapewnia dużą twardość powierzchni obrabianych elementów , dużą odporność na ścieranie i naciski powierzchniowe, oraz wytrzymałość zmęczeniową .Rdzeń stali po takich operacjach obróbki cieplno - chemicznej i cieplnej wykazuje dużą ciągliwość, sprężystości i odporność na dynamiczne działanie obciążeń.W celu zapewnienia wymienionych własności nawęglanie jest stosowane między innymi w procesach technologicznych kół zębatych, wałków zębatych i z wielowypustami, wałków rozrządu, sworzni tłokowych i kulistych, pierścieni i wałków łożysk tocznych o durzych wymiarach .

• REAKCJA BOUDOUARDA(400 – 950oC)

CO2 + C ® 2COObróbka cieplna po nawęglaniu: hartowanie i niskie odpuszczanie

27. Azotowanie /klasyfikacja, ośrodki, parametry azotowania, budowa warstwy wierzchniej po azotowaniu (struktura, głębokość, zawartość azotu - w zależności od parametrów obróbki), zastosowanie, wady i zalety azotowania,

Azotowanie polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali podczas wygrzewania przedmiotu obrabianego w ośrodku zawierającym wolne atomy ?azotu? .Operacja ta jest wykonywana w temperaturze niższej niż AC1.Azotowanie może być : krótkookresowe, gdy czas jego trwania wynosi od kilkunastu minut do kilku godzin; długookresowe, gdy czas jego trwania wynosi kilkadziesiąt godzin ;

STRUKTURA WARSTWY AZOTOWANEJ W wyniku azotowania długookresowego na powierzchni stali tworzy się ciągła strefa azotków typu w stali węglowej Fe2-3N, a często węglikoazotków Fe2(C,N)1-xW sprzyjających warunkach pod strefą azotków powstaje cienka strefa azotków.Strefa ta przechodzi w wewnętrzną strefę dyfuzyjną ferrytu przesyconego z wydzieleniami azotków metastabilnych .W stalach stopowych w strefie wewnętrznej występują ponadto bardzo drobne azotki i węglikoazotki, których struktura i ilość zależą od stężenia azotu i pierwiastków stopowych.ZASTOSOWANIE AZOTOWANIA- azotowanie jest stosowane do elementów ze stali niestopowych i stopowych maszynowych i narzędziowych, narażonych podczas pracy na zużycie ścierne, elementów narażonych na korozję w środowisku wodnym lub wilgotnej atmosferze także do narzędzi skrawających;- azotowaniu są poddawane bardzo liczne elementy silników i pomp wytwarzanych w przemyśle lotniczym, okrętowym i motoryzacyjnym, np. wały korbowe, korbowody, tuleje cylindrowe, koła zębate, tłoki, pierścienie i sworznie tłokowe, cylindry, nurniki pomp;- w przemyśle obrabiarkowym azotowanie znalazło zastosowanie np. do śrub pociągowych, wrzecion kół zębatych, elementów przekładni ślimakowych i sprzęgieł elektromagnetycznych;- do narzędzi poddawanych azotowaniu należą np. matryce kuźnicze, ciągadła i inne narzędzia do obróbki plastycznej, formy do tworzyw sztucznych oraz elementy wtryskarek i wytłuszczarek, narzędzia skrawające ze stali szybkotnących, jak frezy, wiertła, gwintowniki i narzędzia do obróbki kółkowatych;

28. Azotowanie jonowe,

AZOTOWANIE JONIZUJĄCE- azotowanie jonizujące odbywa się w atmosferze zjonizowanego azotu w urządzeniu składającym się ze szczelnej retorty, pompy próżniowej, urządzenia dozującego gaz oraz zasilacza;- azotowane przedmioty, odizolowane od ścianek retorty, są umieszczane w retorcie, stanowiącej anodę i podłączane do bieguna ujemnego. Przyłożone napięcie wynosi 0,5 – 1,5 kV, a ciśnienie azotu lub mieszaniny z wodorem w retorcie jest obniżane 10-2 – 1 Pa;

15

- warstwy powierzchniowe wytworzone w tym procesie odznaczają się wysoką odpornością na ścieranie i wytrzymałością zmęczeniową oraz znacznie większą ciągliwością w porównaniu z warstwami uzyskiwanymi podczas azotowania innymi metodami;

29. Cyjanowanie,

WEGLOAZOTOWANIEwęgloazotowanie polega na jednoczesnym nasycaniu powierzchni stali węglem i azotem w ośrodkach gazowych lub ciekłych.W zależności od temperatury procesu węgloazotowanie może być:- wysokotemperaturowe (azotonawęglanie) w 750 – 950oC, stosowane powszechnie np. dla elementów konstrukcyjnych w przemyśle samochodowym,- niskotemperaturowe – w 450 – 600oC;

30. Borowanie, azotoborowanie, BOROWANIE- borowanie polega na dyfuzyjnym nasycaniu warstwy powierzchniowej stali w bór w temperaturze 900 – 1000oC przez kilka do kilkunastu godzin;- bór zaadsorbowany przez powierzchnię dyfunduje w głąb stali, tworząc warstwę borków o budowie iglastej i grubości ok. 0,03 – 0,15 mm, zależnej od temperatury, metody borowania oraz składu chemicznego stali;- w zależności od stężenia boru w warstwie powierzchniowej stali tworzą się borki Fe2B i FeB;- naborowane warstwy cechują się dużą twardością, zależną od warunków borowania;- największą twardość wynoszącą 2000 – 2400 HV, wykazują warstwy borku FeB, nieco mniejszą 1600 – 2000 HV – Fe2B;Azotoborowanie. – nanoszenie na warstwę azotku boru.

31. Metalizowanie dyfuzyjne, metalizowanie dyfuzyjne, dyfuzyjne nasycanie metalem (najczęściej chromem i/lub aluminium) powierzchni stal. przedmiotu; metaliczne warstwy dyfuzyjne są mniej porowate i lepiej związane z podłożem niż pokrycia galwaniczne. CHROMOWANIE DYFUZYJNE polega na nasyceniu warstwy powierzchniowej stali chromem. Odbywa się w temp. 900-1050 oC przez kilka do kilkunastu godzin. CHROMOWANIE W OŚRODKACH STAŁYCH przebiega w sproszkowanej mieszaninie chromu lub żelazochromu z tlenkiem aluminium oraz aktywatorami, najczęściej chlorkiem lub jodkiem amonu.CHROMOWANIE KĄPIELOWE odbywa się w stopionych solach np. w chlorkach chromu zawierających chrom zmieszanych z solami obojętnymi np. BaCl2 lub NaCl.CROMOWANIE GAZOWE jest wykonywane w atmosferze gazowej zawierającej związki chromu utworzonej wyniku reakcji wymiany, redukcji lub dysocjacji halogenków chromu wymieszanych z obojętnym gazem nośnym np. azotem lub argonem. Warstwy powierzchniowe powstałe w wyniku chromowania dyfuzyjnego zawierają węgliki a niekiedy węglikoazotki Pod strefą węglików w warstwie wierzchniej występuje strefa zubożona w węgiel. Grubość warstwy węglików chromu wynosi 0,005- 0,04 mm a jej twardość ok. 1500 HV. Elementy do chromowania są przygotowywane na gotowo. Po zakończeniu chromowania poddaje się je obróbce cieplnej zapewniającej odpowiednie własności rdzenia. Chromowaniu dyfuzyjnemu są poddawane niektóre narzędzia do pracy na zimno i na gorąco, narzędzia tnące, skrawające i pomiarowe, formy do odlewania pod ciśnieniem, narzędzia do szkła i tworzyw sztucznych, a także elementy maszyn np. w łańcuchach, sprężyny.

32. Budowa i zasada działania lasera,Zasadniczymi częściami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Układ pompujący dostarcza energię do ośrodka czynnego, w ośrodku czynnym w odpowiednich warunkach zachodzi akcja laserowa, czyli kwantowe wzmacnianie (powielanie) fotonów, a układ optyczny umożliwia wybranie odpowiednich fotonów

16

33. Parametry wiązki laserowej i metody ich wyznaczania /energia, rozkład energii, moc, średnica wiązki laserowe, gęstość mocy, czas oddziaływania/,

Właściwości promieniowania laserowego

Lasery służą do generowania głównie promieniowania świetlnego (widzialnego i niewidzialnego - podczerwonego i nadfioletowego), a także rentgenowskiego i gamma: spójnego czyli koherentnego, praktycznie monochromatycznego, o bardzo malej rozbieżności wiązki, malej średnicy plamki laserowej i bardzo dużej gęstości mocy.Lasery technologiczne, zwłaszcza stosowane w inżynierii powierzchni, generują głównie promieniowanie podczerwone zakresu blisko- i średniofalowego. Szerokość linii spektralnej promieniowania laserowego, czyli niejako zakres długości fal emitowanych przez laser, jest zwykle bardzo mała i może dochodzić do 10-6μm.Rozbieżność wiązki emitowanej przez lasery molekularne pracujące na dwutlenku węgla wynosi zaledwie 1-10 mrad, wiązki emitowanej przez lasery Nd-YAG - 0,6-15 mrad.Wychodzące z rezonatora optycznego promieniowanie laserowe jest skupiane za pomocą soczewek i zwierciadeł wykonanych ze specjalnych materiałów optycznych w wiązkę o średnicy od 20 mm do nawet 3-10 μm. Wymiary plamki wiązki promieniowania laserów pracujących na dwutlenku węgla zawierają się zwykle w zakresie l,5-50 mm (o pracy ciągłej) i 4,5-20 mm lub 20x30 mm (o pracy impulsowej). Gęstość mocy przenoszonej przez wiązkę, stanowiąca stosunek mocy wiązki do przekroju poprzecznego wiązki (wielkości lub średnicy plamki laserowej), zawiera się w granicach 103-108 W/cm2.Jeśli chodzi o wiązki impulsowe, to energia impulsu laserów molekularnych CO2, dochodzi do 5000 mJ (moc średnia do 5 kW) przy częstotliwości powtarzania impulsów 12-2500 Hz i maksymalnym czasie trwania impulsu zwykle od 7,5*10-5 – 2*10-3s.

34. Oddziaływanie wiązki laserowej z materiałami /absorpcja wiązki laserowej, zmiany zachodzące w warstwie wierzchniej w zależności od gęstości mocy promieniowania laserowego, wpływ parametrów obróbki laserowej na temperaturę, zasięg zmian w warstwie wierzchniej/,

Rola absorpcji powierzchni w procesie nagrzewania laserowego

Strumień promieniowania laserowego, padając na powierzchnię nieprzezroczystego materiału ulega częściowemu odbiciu oraz częściowemu pochłonięciu, w sposób zależny od długości fali padającego na materiał promieniowania oraz od właściwości fizycznych materiału i jego powierzchni. Ilość ciepła pochłoniętego przez materiał w punkcie padania wiązki (zwanym plamką laserową) zależy od:- współczynnika pochłaniania (absorpcji) powierzchni A (A = l – R , gdzie R - współczynnik odbicia),- długości fali promieniowania laserowego,- gęstości mocy promieniowania q0 padającego na powierzchnię,- czasu ekspozycji (czasu oddziaływania wiązki na materiał) τ .Przy stałym współczynniku absorpcji A powierzchni nagrzewanej zbliżone efekty nagrzewania można uzyskać - w określonych granicach - stosując mniejszą wartość q0 i większą wartość τ, lub odwrotnie.Współczynnik pochłaniania powierzchni zależy od długości fali padającego na powierzchnię promieniowania (a zatem od rodzaju lasera emitującego promieniowanie o ściśle określonej długości fali) oraz od właściwości absorbcyjnych powierzchni - rodzaju materiału, jego temperatury, stanu skupienia, stopnia utlenienia powierzchni i chropowatości. Materiały metalowe, zwłaszcza o powierzchni gładkiej i błyszczącej (np. złoto, srebro, miedź, aluminium, brązy), bardzo słabo absorbują promieniowanie laserowe, szczególnie zakresu bliskiej i części średniofalowej podczerwieni, materiały metalowe o powierzchni ciemnej i chropowatej (wolfram, molibden, chrom, tantal, tytan, cyrkon, żelazo, nikiel, cyna) -o wiele lepiej, choć i w tym przypadku wartość absorpcji rzadko przekracza 10%. Dla promieniowania laserów molekularnych CO2 współczynnik odbicia od wypolerowanej powierzchni miedzi może dochodzić do 98%.Wzrost temperatury powierzchni nagrzewanego materiału powoduje wzrost absorpcji promieniowania. Dla metali obrabianych w atmosferze powietrza wzrost absorpcji występuje również w wyniku utleniania się powierzchni - tlenki zazwyczaj lepiej pochłaniają promieniowanie niż metale. Dalszy bardzo gwałtowny wzrost absorpcji powoduje zmiana stanu nagrzewanego materiału ze stałego na ciekły (przetopienie).

17

W celu zwiększenia sprawności grzania laserowego zwiększa się absorpcję obrabianych powierzchni metalowych przez ich:- chropowacenie (np. przez piaskowanie, kulowanie, moletowanie, obróbkę papierem ściernym) pozwalające na wzrost absorpcyjności powierzchni do 30-40%;- utlenianie pozwalające na wzrost absorpcyjności do 30-40%, rzadziej do 70%;- wzrost temperatury powierzchni (wstępne nagrzanie dowolnym sposobem powierzchni obrabianej laserowo) powodujące wzrost absorpcyjności o 10-30%;- naniesienie powłoki absorpcyjnej (w większości przypadków spełniającej również rolę powłoki antyrefleksyjnej): malarskiej (w postaci farb, lakierów, zawiesin), proszkowej, pastowej, galwanicznej, chemicznej lub innej dobrze absorbującej promieniowanie. Powłoki absorpcyjne są wytwarzane najczęściej z kompozycji soli (fosforany magnezu i cynku), tlenków metali (np. cynku, tytanu, krzemu, chromu, żelaza, aluminium) i niemetali, siarczków, węglików (np. krzemu, molibdenu), grafitu, sadzy, czerni i in. Zwiększają one absorpcyjność powierzchni nawet do 90% w temperaturach niskich i do 50% w temperaturach wysokich (ok. 1500 °C).

Głębokość wnikania fotonów w materiał

Początkowa faza nagrzewania laserowego polega na pochłanianiu nie odbitych od powierzchni fotonów przez wolne lub związane elektrony materiału nagrzewanego Można ją określić ze wzoru analogicznego jak dla nagrzewania indukcyjnegoδ=√ ρ/μ*f (1)

gdzie: δ - głębokość wnikania promieniowania laserowego w nagrzewany materiał, m; p - rezystywność (odwrotność przewodności) materiału nagrzewanego, Ω*m; μ - względna przenikalnośś magnetyczna nagrzewanego materiału; f- częstotliwość zmian pola elektromagnetycznego, związana z długością fali promieniowania laserowego zależnością f=c/λ, gdzie c - prędkość rozchodzenia się światła {długości fali 1μm odpowiada częstotliwość 3.33*10-15 Hz), Hz.

Zgodnie z wzorem (1) promieniowanie laserów molekularnych CO2 wnika w materiał głębiej niż promieniowanie laserów Nd-YAG.Fotony są pochłaniane przez wolne lub związane elektrony materiału nagrzewanego i powodują zwiększenie ich energii. Elektrony o podwyższonej energii oddziałują z siatką krystaliczną i innymi elektronami i powodują przekazywanie energii w głąb nagrzewanego materiału, objawiające się. wzrostem temperatury.Z obszaru nagrzanego przez wnikające fotony ciepło jest przekazywane żalem do zimnych obszarów materiału drogą przewodnictwa cieplnego z prędkością zależną od współczynnika przewodzenia ciepła, który jest znacznie większy dla metali niż dla niemetali.Przy nagrzewaniu laserowym najwyższą temperaturę uzyskuje powierzchnia lub cienka warstewka przypowierzchniowa w obszarze padania wiązki laserowej (czyli w plamce laserowej), a ściślej w miejscu o największej gęstości mocy. Rozkład powierzchniowy temperatury w przybliżeniu odpowiada rozkładowi gęstości mocy w przekroju poprzecznym wiązki laserowej w miejscu plamki laserowej.Zakumulowane w nagrzanej strumieniem promieniowania laserowego warstwę wierzchniej materiału ciepło (ponad 90% wydzielonego ciepła) odprowadzane jest - w przybliżeniu koncentrycznie - w głąb materiału drogą przewodnictwa, dzięki czemu szybkości chłodzenia są bardzo duże, porównywalne z szybkościami nagradzania. Tytko niewielka część dostarczonego do materiału ciepła (maksimum do 10%) jest oddawana przez promieniowanie powierzchniowej warstwy materiału. Sprawność nagrzewania laserowego jest bardzo mała. Sprawność ta zależy od typu i konstrukcji nagrzewnicy laserowej oraz od absorpcyjności nagrzewanej powierzchni. Przeciętnie sprawność nagrzewania laserami impulsowymi na ciele stałym wynosi 2-3%, zaś laserów gazowych o pracy ciągłej 5-7%.

35. Budowa warstwy wierzchniej po obróbce laserowej /wpływ gęstości mocy, maksymalnej temperatury, czasu oddziaływania na budowę i właściwości warstwy wierzchniej/,

36. Technologie laserowe w obróbce materiałów /klasyfikacja, hartowanie, stopowanie, szkliwienie/, -stopowanie

Stopowanie ciała w stanie stałym zależy - zgodnie z prawami dyfuzji - głównie od: gradientu temperatury, gradientu stężenia pierwiastków dyfundujących i od czasu dyfuzji. Ponieważ przy oddziaływaniu wiązki laserowej na materiał występują bardzo duże gradienty temperatury przy bardzo krótkich czasach oddziaływania (dyfuzji) i na ogól typowych dla technologii tradycyjnych stężeniach pierwiastków dyfundujących, przeto głębokość nasycania dyfuzyjnego jest bardzo mała - dyfuzja jest bowiem procesem powolnym i przy czasach milisekundowych praktycznie niezauważalnaStopowanie laserowe [Laser Surface Alloying ~ LSA (ang )] polega na jednoczesnym topieniu i mieszaniu materiału stopującego i stopowanego (podłoża). W wyniku oddziaływania wiązki laserowej materiały topią się,

18

powstaje jeziorko przetopionych materiałów, w którym - w rezultacie ruchów konwekcyjnych i grawitacyjnych oraz w wyniku ciśnienia wiązki laserowej - następuje intensywne wymieszanie materiałów i powstawanie wypływki na obrzeżu jeziorka (rys. 17). Cienka warstwa materiału w stanie starym stykająca się z już roztopionym materiałem jeziorka topi się w wyniku przewodzenia ciepła z kąpieli do ciała stałego. Na granicy ciała stałego (podłoże) i ciekłego (stop) pojawia się bardzo cienka strefa dyfuzyjna, o grubości zwykle nie przekraczającej 10 μm; tylko w niektórych przypadkach składniki stopujące dyfundują na głębokość 200-300 μm - ma to miejsce przy dyfuzji w wąskich kanalikach fazy ciekłej po granicach ziarn i bloków w ciele stałym lub w przypadku dyslokacyjnego przemieszczania się atomów w wyniku miejscowych odkształceń. Po ustaniu oddziaływania wiązki powstały stop krzepnie, a materiał podłoża w jego sąsiedztwie samohartuje się. Struktura, skład chemiczny oraz właściwości fizyczne i chemiczne stopu są inne niż materiału podłoża i materiału stopującego. Przede wszystkim warstwa stopu w zasadzie nie wykazuje charakterystycznej dla procesów dyfuzyjnych budowy warstwowej. W wyniku konwekcyjnego wymieszania stopu nie występują przejścia od faz o większym stężeniu elementów stopujących do faz o stężeniu mniejszym. Wszystkie fazy w strefie przetopionej są równomiernie rozłożone na całej jej głębokości. Wyjątek stanowi wspomniana już bardzo cienka warstwa dyfuzyjna na granicy faz stałej i ciekłej. Warstwa stopu związana jest z podłożem metalurgicznie.Bogata w składniki stopowe warstewka stopu odznacza się zwykle większą twardością niż podłoże, większą wytrzymałością zmęczeniową, lepszymi właściwościami tribologicznymi i antykorozyjnymi, przy jednocześnie mniejszej gładkości niż podłoże przed stopowaniem. Właściwości te w bardzo dużym stopniu zależą od jednorodności wymieszania stopu w stanie ciekłym, uzależnionego z kolei od intensywności konwekcyjnej wymiany masy w tej strefie.W zależności od sposobu wprowadzania dodatku stopującego do jeziorka -rozróżnia się przetapianie i wtapianie.

- szkliwienieSzkliwienie. Procesy laserowego szkliwienia należą do najmniej rozpoznanych. Szkliwienie, czyli uzyskiwanie warstw amorficznych, wymaga szybkości chłodzenia o rząd wielkości większych od typowych uzyskiwanych przy laserach CO2 o pracy ciągłej - stąd czyste używanie do tego celu laserów impulsowych i stąd niewielkie grubości warstw amorficznych (najczęściej 20-40 μm) oraz nierównomierny relief powierzchni. Przy zastosowaniu specjalnych sposobów chłodzenia jest możliwe wykorzystywanie laserów CO2 o pracy ciągłej (rys. 15), co pozwala na uzyskanie lepszej mikrogeometrii powierzchni i większej grubości szkliwa metalowego. Stosowane są w tym przypadku gęstości mocy 106 W/cm2 przy prędkości obróbki l m/s i więcej.Przy zapewnieniu bardzo dużych szybkości chłodzenia w niektórych stopach lepkość ciekłego metalu wzrasta na tyle, iż nie nadążają powstawać zarodki krystalizacji i stop nie krystalizuje, lecz krzepnie w sposób nieuporządkowany tworząc stop bezpostaciowy o cechach masy szklanej.

- - hartowanieHartowanie bezprzetopieniowe polega na nagrzaniu materiału metalowego do temperatury, w której zachodzi określona przemiana fazowa w materiale (np. dla stali - do temperatury kilkadziesiąt kelwinów wyższej od Ac 3), i samoschłodzeniu go, w wyniku czego uzyskuje się strukturę mniej stabilną od wyjściowej, zwykle twardszą. W przypadku stali jest to głównie struktura martenzytyczna.Parametry hartowania dobiera się tak, aby w materiale metalowym zaszła określona przemiana fazowa (w stalach - przemiana martenzytyczna) bez zachodzenia przetopienia - nawet lokalnego przetopienia bardzo cienkiej warstwy wierzchniej. Przetapianiu zwykle bowiem towarzyszy po samoschłodzeniu uzyskiwanie mniej twardej powierzchni warstwy wierzchniej niż bez przetopienia -twardość może być nawet mniejsza o 20-30%. W przypadku przetopienia w strukturze przetopionej i zakrzepłej pojawia się w stalach zwykle zawierającej się w granicach 0,25-2,5 mm). Otrzymywanie grubszych warstw wymaga dłuższego czasu ekspozycji, rzędu nawet kilku sekund. Grubość warstwy zahartowanej wynosi najczęściej: 0,25-0,75 mm dla stali, ok. 0,5 mm dla teliwa szarego i ok. 1,0 mm dla żeliwa sferoidalnego.Podobnie jak w przypadku hartowania bezprzetopieniowego wiązką elektronową, tak i w przypadku bezprzetopieniowego hartowania laserowego może być stosowane hartowanie jednowarstwowe i wielowarstwowe (spotykane rzadko) oraz proste (pojedyncze) lub złożone (kombinowane).Hartowanie bezprzetopieniowe proste polega na hartowaniu laserowym materiału w stanie wyjściowym wynikającym z ostatniej obróbki kształtującej, bez obróbki powierzchniowej lub cieplnej. Ze względu na znacznie większe niż przy hartowaniu konwencjonalnym szybkości chłodzenia możliwe jest hartowanie stali i stopów niehartowalnych konwencjonalnie, np. stali o zawartości ok. 0,2%CNa ogól ze wzrostem zawartości węgla w stali wzrasta twardość i grubość warstwy zahartowanej dla tych samych parametrów obróbki laserowej, co wynika głównie ze wzrostu hartowności i obniżenia temperatury austenityzacji. Dla stali hartowanych konwencjonalnie uzyskiwane przyrosty twardości przy hartowaniu laserowym są do ok. 30% większe niż przy hartowaniu konwencjonalnym. Są one m. in. związane z większą drobnozianistością struktury (węgliki nie zdążą całkowicie się rozpuścić w trakcie austenityzacji), a przyrostom

19

twardości towarzyszą odpowiednie przyrosty umownej granicy plastyczności, doraźnej wytrzymałości na rozciąganie i odporności na ścieranie.Wytrzymałość zmęczeniowa na ogól wzrasta. Hartowanie bezprzetopieniowe złożone polega na hartowaniu laserowym słusznym dla hartowania elektronowego, a więc w stanie po konwencjonalnej obróbce cieplnej (hartowanie, odpuszczanie, wyżarzanie), cieplno-chemicznej (np. nawęglanie, azotowanie) lub po umacnianiu mechanicznym, albo po naniesieniu powłok różnymi sposobami (np. napawanych elektrowibracyjnie, napawanych łukiem krytym, natryskiwanych cieplnie, nanoszonych metodami PVD). Możliwe jest również zastosowanie niektórych z tych obróbek po hartowaniu laserowym lub jednoczesne ich stosowanie (np. jednoczesne nagrzewanie łukowe i laserowe normalizowanej stali 45 pozwala na uzyskanie 2,5-3-krotnie większej grubości warstwy zahartowanej niż przy samym grzaniu laserowym oraz uzyskanie wysokiej mikrotwardości 56-62 HRC).W przypadku laserowego hartowania stali zachodzi przemiana martenzytyczna, lecz w zależności od parametrów energetycznych (i w zasadzie geometrycznych) wiązki laserowej, właściwości (rodzaju) stali i rodzaju obróbki wstępnej (przedlaserowej) - uzyskuje się różne struktury martenzytu, różne są również udziały innych faz szczątkowych (węglików, ferrytu i in.).Twardość stali zahartowanej laserowo zmniejsza się ze wzrosłem austenitu szczątkowego. Zmianę rozkładu twardości oraz zmianę zawartości pierwiastka stopującego dyfuzyjnie warstwę wierzchnią można uzyskać wykorzystując kombinację wstępnej obróbki cieplno-chemicznej i hartowania laserowego. Stale stopowe zawierające tytan hartowane laserowo oraz hartowane laserowo i azotowane jarzeniowo; kombinacja ta zwiększa podatność stali na azotowanie, w wyniku czego uzyskuje się grubsze i twardsze warstwy azotowane. Ogólnie, hartowanie laserowe bezprzetopieniowe zwiększa: twardość (w stopniu większym, niż można to uzyskać metodami konwencjonalnymi), wytrzymałość statyczną i zmęczeniową w wyniku powstawania korzystnych naprężeń ściskających, udarność i ciągliwość, odporność na korozję i zużycie przez tarcie (np. zużycie ścierne stali 45 jest o 10% mniejsze niż po hartowaniu konwencjonalnym). Po obróbce laserowej gładkość powierzchni jest jak przed obróbką.Bezprzetopieniowe hartowanie laserowe jest stosowane do umacniania stali narzędziowych do pracy na zimno, stali szybkotnących, stali konstrukcyjnych (w tym chromowych, manganowych), stali niskowęglowych o zawartości poniżej 0,2%C, stali średniowęglowych, stali stopowych, stali stosowanych na płyty pancerne, stali odpornych na korozję, siali łożyskowych, żeliwa (zwłaszcza szarego), umacniania stopów miedz

37. Technologie CVD , metody nanoszenia, parametry obróbki, właściwości warstw CVD, zastosowanie,

Metoda CVDMETODA CVD:Polega na tworzeniu warstw węglików i azotków metali, np. chromu, wanadu, tytanu, tantalu lub cyrkonu, składników atmosfery gazowej, na powierzchni obrabianego przedmiotu. W procesie tworzenia warstw biorą udział składniki podłoża. Wytwarzanie warstw metodą CVD następuje w szczelnym reaktorze w wyniku niejednorodnych katalizowanych chemicznie i fizycznie reakcji na powierzchni stali w temperaturze ok. 1000°c i przy ciśnieniu 1x105 – 1,35x103 Pa. Proces prowadzony jest w atmosferach gazowych zawierających zwykle pary związków chemicznych metalu stanowiącego podstawowy składnik wytworzonej warstwy (węglikowej, azotkowej, borkowej, tlenkowej) w temperaturze 900 - 1100°C. Najczęściej atmosfery złożone są z lotnego halogenku pierwiastka dyfundującego oraz węglowodoru, azotu, wodoru lub gazu obojętnego, np. argonu. W wyniku reakcji chemicznej zachodzącej na powierzchni metalu wydzielają się atomy (np. boru, chromu, tytanu, tantalu lub aluminium), ze związku (np. BCl3, CrCl2, TiCl4, TaCl4, Al2Cl3) Drugi składnik warstwy pochodzi z podłoża (np. węgiel w przypadku warstw węglikowych) lub z atmosfery (np. azot czy tlen w przypadku warstw azotkowych lub tlenkowych) Przykładowo, wytwarzanie złożonych warstw, zawierających węgliki i azotki tytanu, polega na wygrzewaniu przedmiotu obrabianego w temperaturze 1000 - 1100°C w obecności czterochlorku tytanu TiCl4, metanu CH4, wodoru H2 i azotu N2.

Ograniczenia metody CVD: Wysoka temperatura konieczna do przebiegu reakcji chemicznych znacznie ogranicza zakres stosowania metody CVD szczególnie w przypadku elementów narażonych na obciążenia dynamiczne podczas eksploatacji lub narzędzi wykonanych ze stali szybkotnących. Ogranicza to zakres stosowania technik CVD głównie do nanoszenia warstw na płytki z węglików spiekanych lub spiekanych materiałów ceramicznych, dla których wysoka temperatura procesu nie powoduje utraty ich własności

20

Dodatkowo istotnym ograniczeniem w wykorzystaniu tej metody do wytwarzania powłok, jest konieczność utylizacji agresywnych dla środowiska naturalnego odpadów po procesowych.

W procesach CVD składniki atmosfery mogą być aktywowane: cieplnie plazmą

Procesy CVD nanoszenia powłok aktywowane cieplnie mogą być realizowane jako: chemiczne osadzanie z fazy gazowej pod ciśnieniem atmosferycznym APCVD (atmospheric pressure cvd) chemiczne osadzanie z fazy gazowej pod obniżonym ciśnieniem LPCVD (low pressure CVD)

W ostatnich latach opracowano kilka odmian procesów CVD zwanych ogólnie metodami chemicznego osadzania z fazy gazowej w obecności wyładowania jarzeniowego PACVD (plasma assisted CVD) umożliwiających znaczne obniżenie temperatury procesu.Technologie realizowane z wykorzystaniem niskotemperaturowej plazmy umożliwiają wykorzystanie pozytywnych cech wysokotemperaturowych procesów CVD (duża wydajność i jakość uzyskiwanych powłok) w połączeniu z niską temperaturą pokrywania oraz korzystnym oddziaływaniem plazmy - możliwość oczyszczenia podłoża w wyniku działania plazmy zapewnia dobrą przyczepność powłoki do podłoża.

38. Technologie PVD,, metody nanoszenia, parametry obróbki, właściwości warstw PVD, zastosowanie,

METODA PVD wykorzystuje zjawiska fizyczne takie jak odparowanie metali albo stopów lub rozpylenie katodowe w próżni i jonizacje gazów i par metali z wykorzystaniem różnych procesów fizycznych. Wspólną ich cechą jest krystalizacja par metali lub faz z plazmy Nanoszenie powłok przeprowadzane jest na podłożu zimnym lub podgrzanym do 250- 500 oC co umożliwia pokrywanie podłoży zahartowanych i odpuszczonych bez obawy o spadek ich twardości lecz jednocześnie prowadzi do wytworzenia powłok bardzo cienkich i słabo związanych z podłożem. Połączenie powłoka- podłoże ma charakter adhezyjny i jest tym silniejsze im bardziej czysta jest powierzchnia pokrywana.

W celu uzyskania odpowiedniej czystości powierzchni podłoża prowadzi się operację przygotowania czyszczenia i aktywacji powierzchni podłoża przed naniesieniem powłoki.

Proces przygotowania powinien się składać z dwóch głównych etapów. Chemicznego przygotowania powierzchni (oczyszczenia zgrubnego) w celu usunięcia z niej wszelkiego tłuszczów, smarów konserwujących oraz innych zanieczyszczeń mechanicznych jak również cienkich warstw powierzchniowych (tlenków, siarczków, produktów korozji) Jonowego przygotowania powierzchni która jest operacja bezpośrednio poprzedzająca proces nanoszenia powłok i ma na celu dokładne oczyszczenie powierzchni, aktywowanie jej i podgrzanie elementu do żądanej temperatury – proces ten realizuje się przez trawienie jonowe.

W większości przypadków powstanie powłok w procesie PVD odbywa się w trzech etapach: Uzyskiwanie par nanoszonego materiału Transport par (neutralnych lub zjonizowanych) na materiał podłoża Kondensacja par nanoszonego materiału i wzrost powłoki

Wymienione etapy procesu osadzania fizycznego w zależności od metody: Mogą być wspomagane dodatkowymi procesami fizycznymi takimi jak: jonizacja elektryczna otrzymanych par metali oraz dostarczonych gazów Krystalizacja z otrzymanej plazmy metalu lub fazy w stanie gazowym

Duża różnorodność metod PVD stosowanych obecnie związana jest z: Umiejscowieniem strefy otrzymywania i jonizowania par osadzonego materiału Sposobem otrzymywania par osadzonych metali lub związków przez:

odparowanie metalu lub związku stopionego oporowo, indukcyjnie lub laserowo sublimację metalu lub związku w wyładowaniu łukowym ciągłym lub impulsowym, rozpylanie

anodowe lub katodowe metalu lub związku Sposobem nanoszenia par materiału co może się odbywać przez:

rozpylanie (Sputtering - S) czyli nanoszenie zjonizowanych par materiału uzyskanych przez rozpylenie metalowej elektrody jonami gazu obojętnego (najczęściej jest nim argon) uzyskanymi w wyniku wyładowania jarzeniowego

21

naparowanie (evaporation - E) zachodzące przez nanoszenie niezjonizowanych (technika klasyczna) lub nieznacznie zjonizowanych par metalu fazy lub związku, uzyskanych technikami termicznymi przez odparowanie (technika wspomagana), przy czym jonizacja najczęściej odbywa się w innej strefie niż otrzymywanie par

napylanie (ion plating - IP) polegające na nanoszeniu par metalu, fazy lub związku uzyskanych przez odparowanie lub sublimację temperaturową przy czym metali lub związków są zjonizowane bardziej niż w przypadku wspomaganych technik naparowania a jonizacja par zwykle ma miejsce w strefie otrzymywania par

Intensyfikacja procesu osadzania warstw przez: Metody reaktywne związane ze stosowaniem gazów reaktywnych (np. N2 węglowodorów,

O2, NH3) Metody aktywowane, z aktywowaniem procesu jonizacji gazów i par metali dodatkowe

wyładowanie jarzeniowe, stałe lub zmienne pole elektryczne, pole magnetyczne, dodatkowe źródła emisji elektronów albo podgrzewanie podłoża

Metody mieszane reaktywno-aktywowane w których możliwe są różne kombinacje podanych procesów fizycznych

Zastosowanie metody PVD

Metody PVD są stosowane praktycznie do pokrywania narzędzi ze stali wysokostopowych, głównie skrawających i do obróbki plastycznej, odpornymi na ścieranie warstwami np. Tin, TiC

Pokrywa się również precyzyjne elementy maszyn np. wałki, łożyska, elementy pomp Wytwarzanie cienkich powłok metodą fizycznego osadzania z fazy wykorzystywane jest nie tylko w

zastosowaniach tribologicznych w celu poprawienia własności eksploatacyjnych narzędzi (głównie odporności na ścieranie) ale również w wielu dziedzinach inżynierii materiałowej: elektronice, optyce w medycynie do zastosowań antykorozyjnych a także dekoracyjnych

W technikach PVD zmiana parametrów procesu ma duży wpływ na strukturę powłoki

Podstawowymi parametrami procesu wpływającymi na strukturę są: Temperatura podłoża Ciśnienie gazu Energia jonów bombardujących, które wraz z cechami podłoża: składem chemicznym,

mikrostrukturą, topografią, determinują własności mechaniczne powłok Intensywność zjawisk zachodzących powierzchni zależy m.in. od gęstości strumienia energii jonów

bombardujących której górna wartość ograniczona jest odpornością cieplną materiału podłoża

Ze względu na zbieżność procesów nanoszenia powłok ostatnio dzieli się je na dwie grupy:- technik klasycznego nanoszenia, gdzie nanoszenie par metali następuje w próżni (lub w atmosferze gazu niezjonizowanego) na czystym i zimnym podłożu w typowym naparowaniu próżniowym, proces nanoszenia jest zazwyczaj powolny, a pary metalu docierając do podłoża mają niską energię, co sprawia, że nie mogą one wybić atomów z podłoża, a tylko na nim osiadają, w wyniku czego tworzone powłoki mają małą gęstość, słabą adhezję i dużą ilość zanieczyszczeń;- techniki jonowego nanoszenia próżniowego (najczęściej reaktywne), które odbywa się na czystym zimnym lub podgrzanym podłożu, obejmując wiele technik, które wspólnie można nazwać platerowaniem jonowym, charakteryzującym się bombardowaniem powierzchni nanoszonej strumieniem jonów o energii wystarczającej do spowodowania rozpylania, wpływającym na gęstość, szczelność i przyczepność powłoki do podłoża, na skutek usuwania wszelkiego rodzaju atomów zanieczyszczeń, co może spowodować również podgrzanie podłoża, a nawet płytka inplantację, a także zapewnia korzystny rozkład naprężeń w pobliżu granicy podłoże-powłoka;Prawie we wszystkich technikach PVD nanoszona powłoka powstaje ze strumienia zjonizowanej plazmy kierowanej przez wyładowanie elektryczne na podłoże. Dlatego niekiedy techniki nanoszenia powłok z plazmy (z wykorzystaniem jonów) noszą nazwę nanoszenia lub pokrywania jonowego wspomaganego plazmą PAPVD (plasma assisted PVD) lub wykorzystujących jony IAPVD (ion assisted PVD).

22

39. Ablacja laserowa, , metody nanoszenia, parametry obróbki, właściwości warstw ablacyjnych, zastosowanie,

40. Parametry mikroskopów (powiększenie, zdolność rozdzielcza)41. Rodzaje mikroskopów, różnice pomiędzy nimi ( zasada ich działania, zalety wady, powiększenie,

zdolność rozdzielcza), zastosowanie,42. Budowa i zasada działania mikroskopu optycznego /powiększenie, zdolność rozdzielcza, głębia

ostrości/, wady układów optycznych, rodzaje pracy mikroskopu optycznego (pole jasne, ciemne, światło spolaryzowane itp.),

43. Oddziaływanie wiązki elektronowej z materiałami i wykorzystanie jej do analizy struktury, sieci krystalicznej oraz składu chemicznego stopów metali,

44. Mikroskop elektronowy /rodzaje, budowa, zasada działania, powiększenia, zdolność rozdzielcza, głębia ostrości przygotowanie próbek /,

45. Mikroskop tunelowy i sił atomowych /budowa, rodzaje pracy, zasada działania, powiększenia, zdolność rozdzielcza, zastosowanie/,

46. Metody wyznaczania składu chemicznego materiałów, 47. Wytrzymałość materiałów, odkształcenia w próbce podczas rozciągania, reakcja materiału na

działające siły, wpływ temperatury, składu chemicznego, struktury materiału na mechanizm oraz rodzaj odkształcenia,

48. Parametry wyznaczane podczas rozciągania materiałów, 49. Kruchość stali, metody badania kruchości, wpływ węgla i składu chemicznego na temperaturę przejścia

w stan kruchy, wpływ temperatury na kruchość materiałów, 50. Twardość, metody badania twardości, 51. Metody oznaczania składu chemicznego, charakterystyka, zastosowanie,52. Mikroanaliza rentgenowska, oddziaływanie wiązki elektronowej z materiałami, metody analizy,

Powstawanie charakterystycznego widma rentgenowskiego, 53. Podstawowe techniki analityczne, analiza punktowa, liniowa, powierzchniowa, 54. Spektroskopia, metody, podział, zastosowanie,55. Spektroskopia mas, budowa i zasada działania spektrometru mas, rodzaje spektrometrów mas,

zastosowanie56. Spektometria masowa jonów wtórnych, zasada działania, zastosowanie, 57. Mikroanalizator jonów wtórnych, zasada działania, zastosowanie, 58. Właściwości eksploatacyjne materiałów. ,

23