Πανεπιστήμιο Θεσσαλίας Ημερομηνία:31/5/2013

Τεχνική Έκθεση

Φοιτητής: Γρηγόριος Φλούδας

Εξάμηνο: 4ο

Εργαστηριακή Ομάδα: Δ2

Υπεύθυνη Εργαστηρίου: Ελένη Καμούτση

1

Περίληψη

Η παρούσα εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του μαθήματος της Φυσικής Μεταλλουργίας και έχει ως στόχο την εξαγωγή συμπερασμάτων από τις εργαστηριακές ασκήσεις. Μετά από εργαστηριακές μεθόδους διαπιστώθηκε ότι οι φάσεις των μεταλλικών υλικών γίνονται ορατές στο μικροσκόπιο μέσω μιας σειράς διαδικασιών, που είναι: κοπή, εγκιβωτισμός, λείανση-στίλβωση και χημική προσβολή. Στη συνέχεια γίνεται αναφορά στη σκληρότητα, που είναι το μέτρο της αντίστασης ενός υλικού σε μόνιμη ή πλαστική παραμόρφωση. Ακόμη παρατίθεται η διαδικασία της βαφής και της επαναφοράς σε ευτηκτοειδή χάλυβα, στον οποίο γίνεται και μικροσκληρομέτρηση (μετριέται η σκληρότητα με μικρά φορτία). Επιπλέον διαπιστώθηκε πως τα κράματα αλουμινίου, που επιδέχονται θερμική κατεργασία, αποκτούν τη μέγιστη αντοχή τους μέσω της τεχνητής γήρανσης. Τέλος, στόχος της εργασίας είναι να καταρτίσει το φοιτητή με γνώσεις πάνω στο αντικείμενο της Φυσικής Μεταλλουργίας.

2

Περιεχόμενα

1. Εργαστήριο 1-Μεταλλογραφία και παρατήρηση φάσεων στο οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο σελ. 4

2. Εργαστήριο 2-Μέτρηση μεγέθους κόκκων και σκληρομέτρηση σελ. 113. Εργαστήριο 3-Θερμική κατεργασία χάλυβα, βαφή και επαναφορά

σελ. 154. Εργαστήριο 4-Θερμική κατεργασία κραμάτων αλουμινίου και τεχνητή

γήρανση σελ. 175. Βιβλιογραφία σελ. 21

3

Εργαστήριο 1

Ο στόχος του εργαστηρίου είναι η εισαγωγή στις εργαστηριακές μεθόδους που ακολουθούνται ώστε να είναι δυνατή η παρατήρηση των φάσεων μεταλλικών υλικών στο μικροσκόπιο.

Σχήμα 1: Οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο

Οι πειραματικές διαδικασίες προετοιμασίας δοκιμίων μεταλλογραφίας περιλαμβάνουν: κοπή, εγκιβωτισμό, λείανση, στίλβωση και χημική προσβολή με κατάλληλο για κάθε υλικό αντιδραστήριο.

Κοπή

Πριν από οποιαδήποτε άλλη διαδικασία για την αποκάλυψη της δομής, τέμνουμε το δοκίμιο στο κατάλληλο μέγεθος. Η μικροδομή είναι πολύ ευαίσθητη σε αλλαγή κατά την διαδικασία της κοπής παρά σε κάποιο άλλο βήμα της προετοιμασίας. Η αλλαγή μπορεί να επέλθει από υπερβολική θερμότητα, μηχανική παραμόρφωση ή και τα δύο. Οι λεγόμενες «τεχνητές μικροδομές» που προκύπτουν σ’ αυτήν την περίπτωση είναι πιθανόν να μην επιτρέψουν την αποκάλυψη της πραγματικής δομής. Εάν συμβεί κάτι τέτοιο, πρέπει η ζώνη παραμόρφωσης να αφαιρεθεί με μεγάλη προσοχή, με την χρήση λειαντικού τροχού εκχόνδρισης. Η καλύτερη τεχνική κοπής του χάλυβα είναι ο αποξεστικός τροχός. Παρέχει επιφάνειες που είναι λείες,

4

με ελάχιστη παραμόρφωση, και δεν παρουσιάζονται αλλαγές στην δομή από υπερθέρμανση. Τα δοκίμια τέμνονται με τροχούς από αλούμινα (Al2O3), με την

απαιτούμενη ελαστικότητα του συνδετικού υλικού. Το δοκίμιο διατηρείται κρύο κατά την διάρκεια της κοπής, με την συνεχή ροή λαδιού, διαλυτού στο νερό. Επιλέγουμε την δύναμη κοπής που θα εφαρμόσουμε, καθώς και την σκληρότητα του υλικού κοπής. Επιλέγουμε τροχό ο οποίος αποσυντίθεται γρήγορα και αποκαλύπτει νέους κοπτικούς κόκκους. Μεγάλη προσοχή πρέπει να δοθεί στην δύναμη κοπής, στην αφθονία του ψυκτικού υγρού και στην σταθερή συγκράτηση του δοκιμίου. Κατά την διάρκεια της κοπής, όλες οι παραπάνω παράμετροι επηρεάζουν την τελική δομή του υλικού που παρατηρούμε στο μικροσκόπιο.

Σχήμα 2: Κοπτικά εργαλεία

5

Εγκιβωτισμός

Μετά την κοπή των δοκιμίων στο κατάλληλο μέγεθος ακολουθεί ο εγκιβωτισμός τους. Για τον εγκιβωτισμό του δοκιμίου επιλέγουμε ένα υλικό που μπορεί να χυτευθεί, έτσι ώστε να μην επηρεασθεί η επιφάνεια του δοκιμίου από θερμότητα ή πίεση. Συνήθως χρησιμοποιούνται εποξικά υλικά. Στο εργαστήριο χρησιμοποιείται η ρητίνη Acryfix. Για την παρασκευή της αναμειγνύονται 2 μέρη σκόνης με 1 μέρος υγρό. Τοποθετούμε το δοκίμιο μέσα σε ένα ειδικό κυλινδρικό καλούπι, προσθέτουμε το μίγμα που ετοιμάσαμε και περιμένουμε μερικά λεπτά, έως ότου στερεοποιηθεί η ρητίνη. Αφαιρούμε το καλούπι από το δοκίμιο το οποίο είναι πλέον έτοιμο για τις περαιτέρω διεργασίες.

Λείανση-στίλβωση

Όπως αναφέραμε παραπάνω ανεξαρτήτως της μεθόδου που θα χρησιμοποιηθεί για το κόψιμο του υλικού, η δομή της επιφάνειας έχει αλλοιωθεί σε κάποιο βαθμό. Το κατεστραμμένο στρώμα απομακρύνεται χρησιμοποιώντας σταδιακά λειαντικούς τροχούς με λεπτότερους λειαντικούς κόκκους. Για τα σιδηρούχα υλικά χρησιμοποιούμε χαρτιά καρβιδίου του πυριτίου (SiC), με πρώτο μέγεθος κόκκου 120 grit και με ακολουθία 320, 500, 800 και 1000 grit. Κατά την διάρκεια της λείανσης είναι απαραίτητη η συνεχόμενη παροχή νερού, για τον καθαρισμό του δίσκου καθώς και την ψύξη του δοκιμίου. Για να έχουμε ένα επίπεδο δοκίμιο με ελάχιστη παραμόρφωση συγκρατούμε το δοκίμιο με τα ακροδάκτυλα, όσο το δυνατόν πιο κοντά στον λειαντικό τροχό. Χρησιμοποιούμε μέτρια δύναμη και μετακινούμε το δοκίμιο πέρα δώθε από το κέντρο προς την άκρη του χαρτιού και αντίστροφα. Εξετάζουμε την επιφάνεια περιοδικά για να καθορίσουμε εάν έχουν εξαλειφθεί οι γρατσουνιές από τον προηγούμενο δίσκο. Η λείανση συνεχίζεται δύο με τρεις φορές από τον χρόνο που απαιτείται για την εξαφάνιση των προηγούμενων γρατσουνιών προκειμένου να εξασφαλιστεί η εξάλειψη της ζώνης παραμόρφωσης. Αν κατά την διάρκεια της λείανσης προκύψει κάποιο σφάλμα πρέπει να αυξηθεί η ασκούμενη δύναμη και να μην χρησιμοποιηθεί πιο λεπτόκοκκος δίσκος. Το δοκίμιο πρέπει να παραμείνει στον δίσκο που δημιουργήθηκε το ελάττωμα ή να επιστρέψει στον προηγούμενο. Το δοκίμιο πρέπει να περιστρέφεται κατά 45 έως 90° μεταξύ των σταδίων. Κατά την αλλαγή των χαρτιών το δοκίμιο πρέπει να είναι υγρό για να αποφύγουμε τυχόν ολίσθηση. Επίσης πρέπει να ξεπλένεται πριν προχωρήσει στο επόμενο στάδιο ώστε να μην μολυνθούν τα λειαντικά χαρτιά με κόκκους από τους πιο χονδρόκοκκους λειαντικούς τροχούς. Μετά την τελική λείανση το δοκίμιο

6

καθαρίζεται με βαμβάκι και νερό, περιχύνεται με οινόπνευμα και στεγνώνεται σε ρεύμα θερμού αέρα.

Σχήμα 3: Λειαντικοί τροχοί

Η στίλβωση γίνεται σε δύο πάνινους τροχούς. Ο πρώτος περιέχει κόκκους διαμαντιού διαμέτρου 3μm και ο δεύτερος κόκκους διαμαντιού διαμέτρου 1μm. Για σιδηρούχα υλικά το γυάλισμα απαιτεί μικρό χρόνο, με σχετικά μεγάλη ασκούμενη δύναμη και μικρή περιστροφική ταχύτητα. Κατά την διάρκεια του γυαλίσματος περιστρέφουμε το δοκίμιο κατά την φορά των δεικτών του ρολογιού. Κατά την μετάβαση από τον ένα δίσκο στον άλλο το δοκίμιο καθαρίζεται με ένα βρεγμένο βαμβάκι και ξεπλένεται με οινόπνευμα. Επίσης το δοκίμιο πρέπει να περιστρέφεται αντίστροφα από τον δίσκο, γιατί αλλιώς δημιουργείται το φαινόμενο της ουράς του κομήτη. Το δοκίμιο στεγνώνεται στο τέλος της διαδικασίας με ρεύμα θερμού αέρα. Στην περίπτωση στίλβωσης μη σιδηρούχου μαλακού κράματος, όπως το αλουμίνιο, τα δοκίμια χρειάζονται επιπλέον γυάλισμα. Το αλουμίνιο είναι ένα μαλακό υλικό και χαράζεται με το παραμικρό. Ως αποτέλεσμα η παρατήρηση του δοκιμίου στο μικροσκόπιο, μετά την λείανση στο δίσκο με τους κόκκους διαμαντιού 1μm, αποκαλύπτει γρατσουνιές. Οι γρατσουνιές αυτές εξαλείφονται με γυάλισμα του δοκιμίου με το υλικό OP-U για μη σιδηρούχα υλικά. Το OP-U είναι υγρό και τροφοδοτείται στον κατάλληλο πάνινο δίσκο. Στη διάρκεια της λείανσης παίζει τον

7

ρόλο του λειαντικού υλικού καθώς και του υγρού ψύξης. Το δοκίμιο είναι πλέον έτοιμο για χημική προσβολή.

Σχήμα 4: Συσκευές στίλβωσης

Χημική προσβολή

Η χημική προσβολή χρησιμοποιείται στην μεταλλογραφία, για την αποκάλυψη της μικροδομής ενός δοκιμίου και την παρατήρηση του στο οπτικό μικροσκόπιο. Το δοκίμιο, για να είναι κατάλληλο για χημική προσβολή, πρέπει να έχει μια προσεκτικά γυαλισμένη επίπεδη επιφάνεια από υλικό ελεύθερο από τις αλλαγές που μπορεί να προκλήθηκαν από επιφανειακή παραμόρφωση, από ροή των υλικών

8

ή από γρατσουνιές. Παρ’ ότι μερικές πληροφορίες μπορούν να συλλεχθούν από το γυαλισμένο δοκίμιο, η μικροδομή συνήθως αποκαλύπτεται (γίνεται ορατή) μόνο μετά από χημική προσβολή. Μόνο χαρακτηριστικά, τα οποία παρουσιάζουν διαφορά στην αντανακλαστηκότητά τους 10% ή περισσότερο, είναι δυνατόν να είναι ορατά χωρίς χημική προσβολή. Αυτό ισχύει για μικροδομικά χαρακτηριστικά με μεγάλες χρωματικές διαφορές ή μεγάλες διαφορές στην σκληρότητα, οι οποίες προκαλούν τον σχηματισμό ανάγλυφης επιφάνειας. Ρωγμές, πόροι, οπές και μη μεταλλικά εγκλείσματα μπορούν επίσης να παρατηρηθούν χωρίς χημική προσβολή. Ένα δοκίμιο, το οποίο είναι μόνο γυαλισμένο συχνά, δεν αποκαλύπτει την μικροδομή του, διότι το φως αντανακλάται προς όλες τις κατευθύνσεις ομοιόμορφα. Το ανθρώπινο μάτι δεν μπορεί να ξεχωρίσει πολύ μικρές διαφορές στην αντανακλαστικότητα, οπότε πρέπει να δημιουργηθεί στην εικόνα αντίθεση (contrast). Παρ’ ότι αυτή η τεχνική είναι γνωστή ως χημική προσβολή (etching), δεν αναφέρεται πάντα στην επιλεκτική χημική διαλυτοποίηση των διαφόρων δομικών χαρακτηριστικών. Οι μεταλλογραφικές μέθοδοι αντίθεσης συμπεριλαμβάνουν ηλεκτροχημικές και χημικές τεχνικές προσβολής.

Στο τέλος του εργαστηρίου μελετήθηκε η μικροδομή τεσσάρων υλικών, χρησιμοποιώντας την παραπάνω μεθοδολογία (κοπή-εγκιβωτισμός-λείανση-στίλβωση-χημική προσβολή). Τα τέσσερα υλικά είναι:

Υποευτηκτοειδής χάλυβας (w(c)=0.1%) Ευτηκτοειδής χάλυβας(w(c)=0.8%) Κράμα Cu:Ni (w(Ni)=65%,w(Cu)=35%) Ορείχαλκος (w(Cu)=59%,w(Zn)=41%)

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι:

9

Το κράμα Cu:Ni είναι:

Ο ευτηκτοειδής χάλυβας είναι:

10

Ο υποευτηκτοειδής χάλυβας είναι:

Ο ορείχαλκος είναι:

Εργαστήριο 2

Ο σκοπός του εργαστηρίου είναι η πραγματοποίηση μετρήσεων μέσου μεγέθους κόκκων με αναφορά στην προδιαγραφή ASTM E-112, αλλά και σκληρομετρήσεων διείσδυσης με τη μέθοδο Rockwell σε κλίμακα B και C από το φοιτητή.

Το μέγεθος του κόκκου στα μεταλλικά κράματα διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στις μηχανικές ιδιότητες, καθώς όσο πιο λεπτόκοκκο είναι το κράμα τόσο μεγαλύτερη

11

είναι η μηχανική του αντοχή. Επίσης χρησιμοποιείται ως στοιχείο στις παραγγελίες α’ υλών για μηχανολογικά εξαρτήματα. Η προδιαγραφή Ε-112 ,που εφαρμόζεται, προβλέπει τρεις κύριες διαδικασίες: συγκριτική(comparison), εμβαδομετρική(planimetric), μέτρηση σημείων τομής (intercept).Στο εργαστήριο εφαρμόζεται η συγκριτική μέθοδος μέσω ειδικού εξοπλισμού του οπτικού μεταλλογραφικού μικροσκοπίου.

Σκληρομέτρηση

Η σκληρότητα ενός υλικού είναι ένα μέτρο της αντίστασής του σε μόνιμη ή πλαστική παραμόρφωση.

Οι μέθοδοι μέτρησης της σκληρότητας διείσδυσης στηρίζονται στην μέτρηση της αντίστασης που προβάλλει το υλικό στην διείσδυση ενός σκληρού, μικρών διαστάσεων, εξαρτήματος (διεισδυτή), το οποίο πιέζεται με κατάλληλη δύναμη κάθετα στην επιφάνεια του υλικού.

Σκληρότητα Rockwell

Είναι μια εσοχή δοκιμή σκληρότητας, χρησιμοποιώντας ένα επαληθευτικό μηχάνημα, που αναγκάζει ένα διαμάντι οδοντωτού διεισδυτή ή ένα σφαιρικό διεισδυτή (χάλυβα ή καρβίδιο του βολφραμίου) υπό καθορισμένες συνθήκες στην επιφάνεια του υπό εξέταση υλικού σε δύο πράξεις, αλλά και για τη μέτρηση της διαφοράς, στο βάθος της εσοχής, της προκαταρκτικής και συνολικής δύναμης δοκιμής (μικρά και μεγάλα φορτία αντίστοιχα).

Αρχικά γίνεται κοπή, λείανση-στίλβωση στο δοκίμιο, ώστε να είναι κάθετη η δύναμη που δέχεται από το σκληρόμετρο και να την παραλάβει όλη το δοκίμιο και όχι το υλικό εγκιβωτισμού. Το σκληρόμετρο αποτελείται από σφαιρικό ή κωνικό διεισδυτή. Ακόμη υπάρχουν ειδικά δοκίμια που είναι γνωστή η σκληρότητά τους και γίνεται σκληρομέτρηση για να διαπιστωθεί αν λειτουργεί σωστά το σκληρόμετρο. Υπάρχουν δύο μέθοδοι Rockwell:

Σε κλίμακα Β (φορτίο 100 kg και σφαιρικός διεισδυτής) Σε κλίμακα C (φορτίο 150 kg και κωνικός διεισδυτής)

12

Σκληρότητα Brinell

Κατά τη μέθοδο αυτή μια σφαίρα ορισμένης διαμέτρου (συνήθως 10mm) πιέζεται με ορισμένο βάρος που μπορεί να φτάσει έως 3000 kp πάνω στη μεταλλική επιφάνεια και μετά την απομάκρυνσή της μετράται το ίχνος της εντύπωσης με μεγεθυντικό φακό, ο οποίος έχει κλίμακα μέτρησης. Μετρούνται οι δύο κάθετοι διάμετροι και ο μέσος όρος αποτελεί τη διάμετρο. Η σκληρότητα Brinell (ΗΒ) υπολογίζεται τότε από τον τύπο:

HB= 2P

πD (D−√D2−d2 )

όπου:

P: Το εφαρμοζόμενο φορτίο (kp)

D:Η διάμετρος της σφαίρας (mm)

d: Η μέση διάμετρος του αποτυπώματος (mm)

Παρόλο που είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί ένας μεγάλος αριθμός διαμέτρων σφαιρών και διάφορα φορτία ανάλογα με τη σκληρότητα και το πάχος του υλικού, επειδή το μέγεθος του φορτίου και η διάμετρος της σφαίρας επηρεάζουν τα αποτελέσματα των μετρήσεων, σαν πρότυπη θεωρείται η μέτρηση με σφαίρα διαμέτρου 10mm, φορτίο 3000 kp και διάρκεια φόρτισης 10-15 sec. Έτσι όπου δεν αναφέρεται οτιδήποτε άλλο νοούνται οι παραπάνω συνθήκες. Για τον υπολογισμό της σκληρότητας κατά Brinell χρησιμοποιούνται είτε ο παραπάνω τύπος, είτε πίνακες που δίνουν την τιμή της σκληρότητας από τη μέση διάμετρο του αποτυπώματος για τις αντίστοιχες διαμέτρους σφαίρας και βάρη. Αξίζει να σημειωθεί ότι η μέθοδος δεν είναι κατάλληλη για μετρήσεις σκληροτήτων πάνω από 630 HB, διότι τότε παραμορφώνεται η σφαίρα. Μάλιστα πάνω από 450 η σφαίρα πρέπει να είναι από συντηγμένο καρβίδιο. Μια πολύ χρήσιμη ιδιότητα της σκληρότητας Brinell είναι η σχάση της με την αντοχή σε εφελκυσμό των μεταλλικών υλικών. Για τους κοινούς ανθρακούχους χάλυβες και για ελαφρά έως μέση κραμάτωση ισχύει κατά προσέγγιση η σχέση:

Αντοχή σε εφελκυσμό TS=HB3

Χρησιμοποιώντας τη σχέση αυτή και τους πίνακες αντιστοιχίας είναι δυνατόν να υπολογιστεί κατά προσέγγιση η αντοχή σε εφελκυσμό ενός χάλυβα με σκληρομέτρηση κατά Brinell, χωρίς να χρειαστεί δοκιμή εφελκυσμού που απαιτεί και χρόνο αλλά και την καταστροφή του αντικειμένου η οποία πολλές φορές δεν είναι δυνατή. Τέλος πρέπει να τονιστεί ότι κατά τη μέτρηση της σκληρότητας το

13

πάχος του δοκιμίου πρέπει να είναι τουλάχιστον 10 φορές μεγαλύτερο από το βάθος της εντύπωσης και η απόσταση μεταξύ εντυπώσεων ή από την άκρη του δοκιμίου πρέπει να είναι τουλάχιστον 2*1/2 φορές η διάμετρος της εντύπωσης.

Σκληρότητα Vickers

Η μέθοδος σκληρομέτρησης κατά Vickers χρησιμοποιεί σαν εντυπωτή

αδαμαντοπυραμίδα τετραγωνικής βάσης και γωνίας κορυφής 136ο. Τα βάρη που χρησιμοποιούνται είναι από 1-120 Kp. Η εντύπωση κατά τη σκληρομέτρηση αυτή έχει σχήμα τετραγώνου και με κατάλληλο μικροσκόπιο μετρούνται οι διαγώνιοί του, υπολογίζεται η μέση τιμή του μήκους τω διαγωνίων (L) και στη συνέχεια η σκληρότητα Vickers από τον τύπο:

HV=1,8544p

L2 ( όπου P το φορτίο )

Κατά τη μέτρηση Vickers το πάχος του δοκιμίου πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να μην παρουσιάζεται εξόγκωμα από την πίσω πλευρά της μέτρησης και οπωσδήποτε το πάχος δεν μπορεί να είναι μικρότερο από το 1 & ½ του μήκους της διαγωνίου της εντύπωσης.

Στο τέλος γίνονται δύο πειράματα:

Εκτίμηση μέσου μεγέθους υλικών (φερριτικού χάλυβα και κράματος Monel) Μέτρηση σκληρότητας σε τρία δοκίμια χάλυβα με διαφορετική θερμική

κατεργασία σε κλίμακα Rockwell C, αλλά και σε κράμα αλουμινίου σε κλίμακα Rockwell B

Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι:

Φερριτικός χάλυβας: αριθμός μεγέθους κόκκων:6-6,5-6,5 Monel : αριθμός μεγέθους κόκκων:7,5-7 7

Άρα η μέση διάμετρος κόκκου είναι:

Φερριτικός χάλυβας: (44,9+37,8+37,8)/3 =40,17 μm

14

Monel: (26,7+31,8+31,8)/3=30,10 μm

Τα τρία δοκίμια χάλυβα είναι: αρχικό δοκίμιο, μαρτενσίτης, επαναφερόμενος χάλυβας

Σκληρότητα Μέτρηση 1

Μέτρηση 2

Μέτρηση 3

Μέτρηση 4

Μέτρηση 5

Μέτρηση 6

Τύπος σκληρότητας

Αρχικό δοκίμιο 24 23 26 22 21 25 Rockwell BΜαρτενσίτης 61 62 60 63 64 61 Rockwell CΕπαναφερόμενος χάλυβας

46 47 45 48 43 44 Rockwell C

Εργαστήριο 3

Στόχος του εργαστηρίου είναι η πραγματοποίηση θερμικών κατεργασιών βαφής και επαναφοράς σε ευτυκτοειδή χάλυβα (w(Cu)=0.8%) έτσι ώστε να μελετηθούν πειραματικά οι μετασχηματισμοί φάσεων καθώς και οι μεταβολές που επέρχονται μέσω μετρήσεων της μικροσκληρότητας.

Με βάση το διάγραμμα ΙΤ του συγκριμένου χάλυβα η θερμοκρασία ωστενιτοποίησης είναι 900οC, στην οποία δύο δοκίμια του χάλυβα θα παραμείνουν για 30min. Ακολουθεί βαφή (απότομη ψύξη σε νερό) προκειμένου να πραγματοποιηθεί ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός. Στη συνέχεια το ένα δοκίμιο υποβάλλεται σε θερμική κατεργασία επαναφοράς σε θερμοκρασία 350οC για 15 min.

Στα δύο αυτά δοκίμια μελετούμε τη μικροδομή στο οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο. Οι πειραματικές διαδικασίες προετοιμασίας δοκιμίων μεταλλογραφίας περιλαμβάνουν: κοπή, εγκιβωτισμό, λείανση, στίλβωση και χημική προσβολή με αντιδραστήριο Nital 3%. Η μελέτη της μικροδομής

15

περιλαμβάνει παρατήρηση ορίων κόκκων, παρατήρηση φάσεων, προσδιορισμό χαρακτηριστικών φάσεων.

Μικροσκληρομέτρηση

Ο όρος μικροσκληρομέτρηση αναφέρεται στη μέτρηση της σκληρότητας με χρήση πολύ μικρών φορτίων δηλαδή 1gr - 1 kgr. Ο χρησιμοποιούμενος εντυπωτής είναι η αδαμαντοπυραμίδα της μεθόδου Vickers ή ο εντυπωτής KNOOP o οποίος είναι ρομβοεδρική αδαμαντοπυραμίδα με βάση ρόμβο με λόγο διαγωνίων 7:1 και γωνίες

κορυφής 172ο30΄ και 130ο αντίστοιχα. Οι διαστάσεις του αποτυπώματος που δημιουργείται επειδή το μέγεθός του είναι πολύ μικρό μετρούνται με μικροσκόπιο. Η μέθοδος χρησιμοποιείται όταν απαιτείται πολύ μικρό μέγεθος εντύπωσης, π.χ. σε επιφανειακά στρώματα, λεπτά υλικά, σκληρότητα μεταλλουργικών φάσεων, σκληρότητα κοντά στο άκρο κοπτικών εργαλείων. Στην κλίμακα Vickers η σκληρότητα υπολογίζεται (όπως και στην κανονική σκληρότητα Vickers ) από τον τύπο:

HV=1,8544p

L2 ( όπου P το φορτίο )

16

Η αριστερά εικόνα αναπαριστά τον μαρτενσίτη, ενώ η δεξιά τον επαναφερόμενο μαρτενσίτη. Ο μαρτενσίτης έχει πιο πυκνές βελόνες σε σχέση με τον επανηφερμένο. Κατά την επαναφορά του μαρτενσίτη λαμβάνουν χώρα διαδικασίες (όπως χαλάρωση ελαστικών τάσεων, ανάπτυξη κόκκων, αλλά και μετασχηματισμός παραμένοντα ωστενίτη), που μειώνουν την σκληρότητα και αυξάνουν την ολκιμότητα.

Τέλος στα μεταλλογραφικά δοκίμια πραγματοποιούνται μετρήσεις μικροσκληρότητας σε κλίμακα Vickers στο μικροσκληρόμετρο του εργαστηρίου.

Μικροσκληρότητα: Μαρτενσίτης: 874 Vickers

17

Επαναφερόμενος μαρτενσίτης: 572 Vickers

Εργαστήριο 4

Σκοπός του εργαστηρίου είναι η ανάδειξη της σημασίας των αλουμινίων, αλλά και της θερμικής κατεργασίας με τεχνητή γήρανση.

Τα κράματα αλουμινίου χρησιμοποιούνται σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές, καθώς συνδυάζουν πολύ καλή μηχανική αντοχή, αντοχή σε διάβρωση/οξείδωση, αλλά και χαμηλή πυκνότητα. Διακρίνονται σε χυτά και ελατά κράματα. Τα κράματα, που επιδέχονται θερμική κατεργασία, αποκτούν τη μέγιστη αντοχή τους μέσω της τεχνητής γήρανσης.

Τεχνητή γήρανση

Η θερμική κατεργασία της τεχνητής γήρανσης βασίζεται στην καθίζηση (precipitation) μιας δεύτερης φάσης ισχυροποίησης από ένα υπέρκορο στερεό διάλυμα. Στο εργαστήριο μελετάμε τα βασικά χαρακτηριστικά της καθίζησης χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα το κράμα 2024. Η θερμική κατεργασία που εφαρμόζεται για την καθίζηση της φάσεως θ (Al2Cu) αποτελείται από 3 βήματα:

Α) Διαλυτοποίηση: Θέρμανση πάνω από την καμπύλη στερεάς διαλυτότητας (495οC) για τη διάλυση της φάσης θ και το σχηματισμό ομογενούς στερεού διαλύματος Al-Cu (φάση α).

Β) Απότομη ψύξη (βαφή) στη θερμοκρασία δωματίου. Λόγω της απουσίας διαχύσεως το στερεό διάλυμα της φάσεως α παραμένει ως έχει με τη διαφορά ότι είναι υπέρκορο στη θερμοκρασία δωματίου.

18

Γ) Τεχνητή γήρανση μέσω θέρμανσης σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες. Η ενεργοποίηση της διαχύσεως σε συνδυασμό με τη μεγάλη κινούσα δύναμη προκαλεί την καθίζηση της φάσεως θ.

H καθίζηση της φάσης θ σε λεπτή διασπορά αυξάνει τη σκληρότητα του κράματος.

Σχήμα 5: Τμήμα του διαγράμματος φάσεων του συστήματος Al-Cu

19

Σχήμα 6: Δεδομένα τεχνητής γήρανσης για το κράμα 2024

Τα ελατά κράματα διακρίνονται σε εργοσκληρυνόμενα και θερμοσκληρυνόμενα:

Κράμα Κύρια κραματικά στοιχεία Κατηγορία1ΧΧΧ Καθαρό αλουμίνιο ΕΣ2ΧΧΧ Χαλκός(Cu) ΘΣ3ΧΧΧ Μαγγάνιο(Mn) ΕΣ4ΧΧΧ Πυρίτιο(Si) ΕΣ ή ΘΣ5ΧΧΧ Μαγνήσιο(Mg) ΕΣ6ΧΧΧ Μαγνήσιο(Mg) και

πυρίτιο(Si)ΘΣ

7ΧΧΧ Ψευδάργυρος(Zn) ΘΣ8ΧΧΧ Άλλα στοιχεία(Fe,Sn) ΕΣ ή ΘΣ

1ο ψηφίο: κύριο κραματικό στοιχείο

2ο ψηφίο: παραλλαγή που αντιστοιχεί σε μεταβολή 0,15-0,50% σε κραματικό στοιχείο

3ο και 4ο ψηφίο: συγκεκριμένο κράμα της σειράς

20

Τα κράματα, τα οποία επιδέχονται θερμική κατεργασία και στα οποία τα κραματικά στοιχεία προκαλούν ισχυροποίηση με καθίζηση κατά την θερμική κατεργασία της γήρανσης ονομάζονται θερμοσκληρυνόμενα. Αυτά είναι: 2ΧΧΧ,4ΧΧΧ,6ΧΧΧ,7ΧΧΧ και 8ΧΧΧ.

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Zr Άλλο2024 0-0,5 0-0,5 3,8-

4,90,3-0,9

1,2-1,8

0-0,1 0-0,025

0-0,15

0 0-0,2

6013 0-0,6 0-0,5 0,15-1,1

0,2-1 0,6-1,2

0,1-0,7

0,1-0,7

0-0,1 0-0,2 0-0,05

6061 0,4-0,8

0-0,7 0,15-0,4

0-0,15

0,8-1,2

0,04-0,35

0-0,25

0-0,15

0-0,2 0-0,05

Χαλκός: Σε ποσοστό έως 12%, προκαλεί βελτίωση της μηχανικής αντοχής και της κατεργασιμότητας. Η σκλήρυνση επιτυγχάνεται με κατακρήμνιση.

Σίδηρος: Σε μικρά ποσοστά βελτιώνει την αντοχή και τη σκληρότητα και, ταυτόχρονα, μειώνει τις πιθανότητες θερμής ρωγμάτωσης κατά τη χύτευση.

Μαγγάνιο: Βελτιώνει την ολκιμότητα και, σε συνδυασμό με το σίδηρο, τη χυτευσιμότητα.

Μαγνήσιο: Βελτιώνει τη μηχανική αντοχή και την αντοχή σε διάβρωση. Σε ποσοστό μεγαλύτερο από 6%, προκαλεί σκλήρυνση με κατακρήμνιση.

Πυρίτιο: Βελτιώνει, κατά πολύ, τη χυτευσιμότητα και την αντοχή σε διάβρωση

Ψευδάργυρο: Μειώνει τη χυτευσιμότητα, αλλά, σε συνδυασμό με άλλα στοιχεία προσθήκης, βελτιώνει τη μηχανική αντοχή.

Η φυσική γήρανση πραγματοποιείται σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, ενώ η τεχνητή πραγματοποιείται σε υψηλότερη θερμοκρασία(120ο C-200ο C).

Στο Εργαστήριο πραγματοποιείται θερμική κατεργασία διαλυτοποίησης και τεχνητής γήρανσης. Η θερμοκρασία διαλυτοποίησης για το κράμα 2024 είναι 495οC και η τεχνητή γήρανση θα γίνει στους 190oC για 9h. Το δοκίμιο έπειτα από

21

μεταλλογραφική προετοιμασία παρατηρείται στο οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο και μετριέται η μικροσκληρότητά του.

Έχουμε τον σχηματισμό της φάσης ισορροπίας θ (Al₂Cu).

22

Βιβλιογραφία

1) Γ.Ν. Χαϊδεμενόπουλος, Φυσική Μεταλλουργία2) Metals Handbook, Vol.3 Alloy Phase Diagrams3) Σημειώσεις Εργαστηρίου Φυσικής Μεταλλουργίας4) Aluminum and Aluminum Alloys, ASM specialty Handbooks5) I.J Polmear <<Light Alloys>>, Arnold Publishers, 1995, σελ.1-426) Ιστοσελίδα:

www . mie . uth . gr / ekp _ yliko /ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ_ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟΥ_ΦΥΣΙΚΗΣ_ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙ ΑΣ. pdf

7) Ιστοσελίδα: materials.mie.uth.gr/index.php?option=com_content&view=article&id=96&Itemid=150

8) Ιστοσελίδα: dspace.lib.ntua.gr/bitstream/123456789/3272/3/chatzisi_corrosion.pdf

23