masdinski materijali 2 DRUGI DEO

Neravnomerne strukture ugljeničnih čelika

Pri razmatranju ravnotežne strukture u potpunosti je zanemarena brzina faznih transformacija,odnosno jedini relevantan faktor nastajanja određenih faza je temperatura. Za objašnjenje neravnotežne struktura dobijenih pri različitim brzinam hladjenja (termičke obrade).Mora da se uzme u obzir brzina hladjenja.

Perlit je mehanička smeša ferita i cementita.Perlitna transformacija se odvija mehanizmom difuzije. U zavisnosti od veličine i gustine pakovanja lamela ferita i cementita mogu da se dobiju i neke druge strukture perlitnog tipa sorbidnog i trustitnog. Trustit ima najfinije lemele. Pri prodhladjenu autenita eutektoidnog čelika ispod 520 °C  korakter preobražaja se menja i nastje benit ima ima drugačiju građu od struktura perlita.

Gornji beinit se obrazuje na višim temperaturama, a u intervalu od 500–350°C i ima „perjastu“ građu kod koje je cementit izdvojen u obliku izolovanih uskih čestica smeštenih između feritnih pločica i podseća na perlit .

Donji beinit obrazuje se na nižim temperaturama u intervalu od 350°C do temperature Mp. Donji beinit ima igličastu strukturu, koja podseća na martenzit. Čestice cementita su sitne i izdvojene su unutar α–faze (ferit).

Martenzit je prezasićeni čvrsti rastvor  C u α-železu.rešetka mu je zapreminski centriranja.Nastaje kao rezultat bezdifuzione transformacije oaustenita pri uslovima kritične brzine hlađenja.

stepen tetragonalnosti zavisi od sadržaja C što je veći procenat ugljenika veći je stepen tetragonalnosti i tvrdoća je veća.

Cementit ima veću tvrdoću od martenzita . Sadržaj ugljenika takođe utiče i na temperaturu početka i temperaturu kraja martenzitne strukture.

Ms- temperatura početka martenzintne transformacije    

Mf-temperatura kraja martenzitne transformacije

Izotermalno razlaganje γ

Inkubacioni period  vreme početka transformacije.Svaki čelik ima svoj t.t.t krivu.

Dijagram kontinualnog hladjenja

%C utiče na pomeranje TTT dijagrama.Sa povećanjem %c TTT dijagram se pomera u desno.

Razlaganje austenita pri kontinualnom hlađenju.Dijagrami pri kontinualnom hladjenju su isti kao i TTT dijagrami ali ali su malo pomereni.

Kritična brzina hlađenja je najmanja brzina pri kojoj je moguće dobiti 100% martenzitna struktura.Ovakvo kontinualno hladjenja dijagram postaje za materijale za zavarivanje.

TERMIČKE OBRADE ČELIKA

Svaka termička obrada se sastoji ia zagrevanja do određene temperature,držanje na toj temperaturi odredjeno vreme i hladjenje odgovarajućom brzinom.

Promene mikrostruktura legura železa koje su opisane mogu se dobiti odgovarajućom termičkom obradom što znači da se faznim transformacijama može uticati na mehaničke osobine materijala.

Obrade čelika se dele na:

                                    1.žarenje bez fazne transformacije

                                    2.žaremnje sa faznom transformacijom

                                    3.kaljenje

                                    4.otpuštanje

                                    5.hemijsko termičke obrade  (termohemiske)

Žarenje

Žarenje je termička obrada pri kojoj se čelik izaže povišenim temperaturama u dužem vremenskom periodu,a posle toga sporo hladi.

Rekristalizacija (1')

Ovaj vid žarenja izvodi nakon hladne plastične deformacije pri ovom žarenju ne dolazi do strukturne promene već se menje samo oblik zrna.Temperatura rekristalizacije čelika je 650–700°C. Izduženo deformisano zrno se transformiše u poligonalno (ravnoosno) nedeformisano zrno. Pri hladnom valjanju imamo poligonalno zrno pa ćemo da dobijemo izduženo zrno.

Žarenje za uklanjanje zaostalih napona(1")

Zaostali naponi mogu nastati u toku mašinske obrade,usled neujednačenog zagrevanja i hlađenja,usled faznih transformacija....Ova transformacija se izvodi spod temperature A₁ pri čemu dolazi da relaksacije (smanjenja) napona. U nekim slučajevima pri ovom žarenju može da dodje i do rekristalizacije.

Potpuno žarenje(2' ) i normalizacija(2")

Čelici se zagrevoaju 30–50°C  iznad temperature A₁  (A_cm) pri čemu se feritno-peritna struktura prevodi u sitnozrnu strukturu.

Potpuno žarenje- se podvrgavaju se niskougljenični i srednjeugljenični čelici (pod-eutektoidni) sa ciljem dobijanja ujednačene sitnozrne strukture, smanjene tvrdoće, povećane žilavosti i plastičnosti. Potpuno žarenje ostvaruje se zagrevanjem čelika na temperature 30–50°C iznad tačke A₃; početna feritno–perlitna struktura prevodi se u sitnozrnu strukturu austenita, i kasnijim sporim hlađenjem sve do sobne temperature

Normalizaciono žarenje (normalizacija) je proces žarenja čelika na temperaturi višoj za 30–50°C od tačke A₃ ili A_Cm, što zavisi od sastava čelika. Posle potpune transformacije polazne strukture u austenit sledi sporo hlađenje na mirnom vazduhu do sobne temperature.Normalizacija se primenjuje da se ukloni krupnozrna struktura dobijena u postupcima obrade u toplom stanju. Kod nadeutektoidni čelika ne dolazi do izdvajanja filma jer je brzina hlađenja na vazduhu veća nego sa peći.Feritno-perlitne lamele su tanje nego kod potpunog žarenja.

Difuzno žarenje (homogenizacija) 2"'

Difuzno žarenje (homogenizacija) se primenjuje za izjednačavanje hemijske neujednačenosti metalnih zrna čvrstog rastvora. Zagrevanje se izvodi na temperatura 1100–1200°C. Posle difuzionog žarenja, zbog visokih temperatura i dugotrajnog zagrevanja, dobija se krupnozrna struktura.

Sferoidizacija (meko žarenje)

Podeutektički čelici se zagrevaju neposredno ispod temperature A₁ to je termička obrada bez fazne transformacije.Nadeutektički čelici se zagrevaju izna A₁ teperature ~700°C i drže  dovoljno dugo vremena (18-24h) i sporo hlade.

Sferoidizacija se izvodi pre obrade u cilj ovog žarenja je da lameralna struktura perlita koja je tvrda  i nepodesiva za obradu rezanjem provode u sveroidnu strukturu koja ima bolju obradljivost,malu tvrdocu,dobru plastičnost.

 

Kaljenje

Kaljenje je proces kojim se čelik zagreva do temperatura nešto iznad kritične, a zatim hladi brzinom većom od kritične u cilju dobijanja martenzitne strukture, a time visoke tvrdoće i otpornosti na habanje. Podeutektički čelici se zagrevaju na temperaturi 30-50°C iznad A₃,a nadeutektički 30-50°C iznad A₁, pri čemu dolazi da transformacije α u γ.

hladjenje mora da bude takvo da brzina hladjenja bude veća od kritične  ukoliko bi brzina hlađenja bila manja od kritične ne bi imali potpunu martenzitnu strukturu.

Kod podeutektičkih čelika mora da se izvede potpuni preobražaj u γ(austenit). Ako bi zagrevali ispod A₃ temperature postojalo bi dvofazna oblast (α+ γ) i mekana feritna struktura.U toj oblasti koja se bilo kakvim hlađenje ne može transformisati (stabilna je na sobnoj temperaturi) . Kod nadeutektičkih čelika na temperaturi iznad A₁ je dvofazna oblast (γ+Fe3C) cementit ima veću tvrdoću od martenzita pa ga  nema potrebe izbegavati.

Zagrevanje iznat Acm nije poželjno da se ne bi izdvojio cementit po granicama zrna u vidu krte karbidne mreže i da ne bi došlo da porasta austenitnog zrna.

Prokaljivost čelika

Sposobnost čelika da se kaljenjem dobijeni sloj martenzitne ili martenzitno–trustitne strukture prostire do određene dubine naziva se prokaljivost.

Eksperimentalne metode za određivanje prokaljivosti su Grosmanova i Džomini metoda.Suštinska razlika između ove dve metode je u oblik epruvete i u načinu hlađenja.kod Grosmanove metode je svestrano hlađenje, a kod Džomino je čeono hlađenje. Princip ispitivanja ometode po Džomini zasniva se na zagrevanju epruvete do određene temperature,a zatim čelo epruvete hladimo mlazom vode, nakon brušenja ivica meri se tvrdoća na određenim rastojanjima.

Otpuštanje

Termička obrada kojom se kaljeni čelik zagreva do temperatura nižih od tačke A_C1, drži na toj temperaturi određeno vreme, a zatim sporo hladi, i pri tom prouzrokuje transformaciju nestabilne strukture kaljenog čelika u stabilniju strukturu naziva se otpuštanje. Otpuštanje se uvek radi posle kaljenja.U zavisnosti od temperature zagrevanja razlikuju se tri vida otpuštanja: nisko, srednje i visoko.

Pre otpuštanja dolazi da smanjenja ili potpunog uklanjanja unutrašnjih napona,smanjuje krtost kaljenog čelika i dobijanje željenih strukture i mehaničkih svojstava.

Poboljšanje

Kombinovani postupak termičke obrade čelika, koji se sastoji iz kaljenja i visokog otpuštanja, koji ima za cilj postizanje visoke vrednosti napona tečenja i visoke vrednosti žilavosti naziva se poboljšanje.

LEGIRANI ČELICI

Legirajući čelici su čelici kod kojih veliki uticaj na osobine imaju legirajući elementi.Legirajući elementi su elementi koji se namerno dodaju u cilju poboljšanja određenih osobina ugljeničnih čelika ili radi postizanja specijalnih osobina koje ugljenični čelici nemaju. Sadržaj pri kome se neki element smatra legirajućim elementom definiše se uticajem tog elementa na strukturu i osobine čelika.

Uticaj legirajućeg elementa na alotropske preobražaje železa

Elementi čiji se atomski prečnik razlikuje ±15% u odnosu na prečnik atoma železa obrazuju supstitucijske čvrste rastvore. C i N imaju male prečnike atoma i obrazuju instersticijske čvrste rastvore.

Legirajućih elemenata  se dele na :

1.austenitno obrazujuci elementi (γ-geni elementi ili γ-stabilizator).Proširuju oblast postojanja austenita.To su elementi koji se veoma dobro ili u potpunosti rastvaraju u γ-železu.Pored C i N tu još spadaju mangan (Mn), nikal (Ni), kobalt (Co). Pomeraju tačku A₄ ka višim temperaturam,a A₃ ka nižim temperaturama.Čelici koji imaju austenitnu strukturu na sobnoj temperaturi zovu se austeniti

2.feritno obrazujuci elementi (α-geni elementi ili α-stabilizatori)Proširuju oblast postojanja ferita.Elementi koji se veoma dobro rastvaraju u α-železu. Tu spadaju hrom (Cr),molibden,volfram,vanadijum,aluminijum,silicijum... Pomeraju tačku A4 ka nižim temperaturama,a tačku A3 ka višim temperaturama.Sužavaju Oblast postojanja ustenita a proširuju oblast ferit.Čelici koji imaju strukturu ferita i karbida od sobne temperature do temperature lopljenja su fertitni čelici.

 

HEMIJSKO TERMIČKA OBRADA

Termohemijskom obradom čelika naziva se termička obrada koja se izvodi kao kombinacija termičkog i hemijskog dejstva sa ciljem da se izmeni sastav, struktura i svojstva površinskog sloja.

Termohemiske obrade se dele na:

1.      Difuziono zasićenje nemetalima (Cementacija ,Nitriranje, Cijanizacija, Karbonitriranje i Sulfidizacija

2.      Difuziono zasićenje metalima (Hromiranje, Alitiranje, Siliciranje i Beriliziranje)

Termohemijske obrade se izvode uvek na povišenim temperaturama. Termohemijske obrade se postiže povećanje tvrdoće u površinskim slojevima, povećanje otpornosti na habanje i na koroziju.

Cementacija

Cementacija je termohemijski proces u kojem se površinski slojevi čelika obogaćuju ugljenikom. Cementaciji se podvrgavaju niskougljenični čelici sa sadržajem do 0,2% C i legirani čelici sa 0,08–0,2% C. Deo namenjen cementaciji ima žilavo plastično jezgro (što se zadržava i posle cementavije), a površinski cementiran sloj veliku tvrdoću.Cementiran sloj može da sadrži oko 0,8-0,9 %C najviše do 1,1%C.Dubina cementiranog sloja  se kreće oko 1mmm da 1,2mm. Pre cementacije treba očistiti i odmastiti površine i naneti prevlaku na one delove površina koje ne treba cemetirati.

    ---Tehnološki dijagram za cementaciju--

Cementacija se obavlja na temperaturama iznad tačke A_C3, odnosno 930–950°C, kada austenit može da rastvori najveći procenat ugljenika (do 2% C).

Ako su u pitanju neodgovorni delovi onda se posle cementacije vrši nisko otpuštanje radi smanjenja unutrašnjih napona.

Kod visoko odgovornih delova se posle cementacije obavlja kaljenje i otpuštanje. Ako noseću ulogu u konstrukciji ima površina onda temperatura kaljenja odgovara temperaturi kaljenja nadeutektoidnih čelika, a ako je značajno jezgro materijala konstrukcije, temperatura kaljenja odgovara podeutektoidnim čelicima.

Nitriranje

Nitriranju se podvrgavaju srednjeugljenični konstrukcioni čelici (sa 0,2–0,4% C) i legirani čelici sa 1,2–2% legirajućih elemenata. Nitriranje je termohemijski proces u kojem se u površinski sloj čelika difuzijom obogaćuje atomima azota, u cilju povećanja tvrdoće, otpornosti na habanje – koja se zadržava do radne temperature od oko 500°C, zatim otpornosti na koroziju kao i povećanje dinamičke čvrstoće. Nitriranje se vrši ispod 600°C. Tvrdoća površinskih slojeva može da bude i preko 100HV. Nitriranje se vrši u gasovitom sredstvu najčešce NH3 koji disocira na temperaturama između 500-600°C. Za razliku od cementacije, nitriranje je završna termička obrada (posle kaljenja i otpuštanja) i mnogo je sporiji proces od cementacije.

Nitriranje je sporiji proces od cementacije zbog temperature.

Cijaniziranje

Cijaniziranje je kobinovani proces THO – cementacije i nitriranja, tj. obogaćivanja površinskog sloja čelika atomima ugljenika i azota istovremeno. Ovoj obradi se podvrgavaju čelici sa 0,2–0,4% C.

U zavisnosti od temperature na kojoj se proces obavlja razlikuje se:

• niskotemperaturno

• visokotemperaturno cijaniziranje.

Niskotemperaturno cijaniziranje. Delovi se zagrevaju na temperaturu oko 560°C u rastopljenim solima NaCN. Dominantan je uticaj azota (N). Primenjuje se kod brzoreznih čelika. Površina je vrlo tvrda i otporna na habanje. Režim ove obrade zajedno sa poboljšanjem je prikazan na donjoj slici.

Visokotemperaturno cijaniziranje. Delovi se zagrevaju na 930–950°C u rastopljenim solima u trajanju procesa od 1,5–6 časova. Dubina cijaniziranog sloja je 0,5–2 mm. Cijanizirani sloj sadrži 0,8–1,2% C i 0,2–0,3% N. Posle procesa visokotemperaturnog cijaniziranja delovi se hlade na vazduhu. Naknadno se zagrevaju do temperature kaljenja, hlade i nisko otpuštaju.   

Rastvorljivost azota i ugljenika u površinskom sloju čelika zavisi u velikoj meri od primenjene temperature, kao što je prikazano na donjoj slici.

OBOJENI METALI I LEGURE

ALUMINIJUM I NJEGOVE LEGURE

Aluminijum

Aluminijum spada u grupu lakih metala gustina mu je ρ=2,7 g/cm3, temperatura , kristališe po površinski centriranoj rešetci i ne menja kristalnu rešetku. Ima dobru elastičnost i toplotnu provodljivost i ma dobru otpornost na koroziju zahvaljujuci tome što se na površini materijala stvara AL₂O₃ reda veličine 0,1μm. Nije magnetičan, dobro se zavaruje i dobro se obrađuje deformacijom. Aluminijum ima široku primenu. Tehnički čist Al se izrađuje 99,5-99,99% Al(metaluški čist) . Mane su mu mala čvrstoća nekoliko puta manja od čelika pa se zbog toga u mašinstvu koriste legure Al. Najčešće se Al legira sa Cu, Mg, Mn, Si, Zn.

Legure aluminijuma

Legure Al se dele na legure za gnječenje i legure za livenje. Legure za gnječenje se dalje dele na one koje se termički ne obrađuju i one koje se termički obrađuju.

Legure Al za gnječenje koje se termički ne obrađuju se ne odlikuju visokom čvrstoćom, ali su im svojstva plastičnosti veoma dobra. U ovu grupu legura spadaju legure Al sa Mg, čiji se sadržaj kreće od 1% do najviše 5,8% i Mn čiji je sadržaj ograničen na 0,6%. Imaju dobru zavarljivost,otporne su prema koroziji i upotrebljavaju se za izradu slaboopterećenih delova, za izradu presovanih i duboko izvlačenih proizvoda, kao i za zavarene konstrukcije.

Legure Al za gnječenje koje se termički obrađuju. U ovu grupu spadaju legure Al sa Cu, Mg, Si, Zn i Li. Ova grupa legura postiže visok nivo mehaničkih svojstava tek posle odgovarajućih termičkih obrada najčešce talažnog ojačanja. Čestice taloga služe kao prepreka kretanja dislokacije pa legura ojačava.

Proces taložnog ojačanja sastoji se iz tri faze:

                        1.rastvarajuće žarenje

                        2.hlađenje

                        3.starenje

Duraluminijum, legura Al sa Cu i Mg, ima smanjenu korozionu postojanost, zbog čega se dopunski legira Mn (do 0,9%).

Rastvarajuće žarenje iznad solvus linije i držanjana toj temperaturi dok se nedobije α-čvrsti rastvor. Naglo hlađenje u vodi pri čemu se dobija prezasićeni α-čvrsti rastvor koji je nestabilan.Posle hlađenja legure se izlažu starenju.

Starenje može biti:prirodno i veštačko. Prirodno je na sobnoj temperaturi i traje nekoliko dana ,a veštačko je držanje na povišenoj temperaturi u trajanju od 10-24h. Pri starenju prezasićeni α-čvrsti rastvor se razlaže i dolazi do razlaganja legura. Razlaganje se odvija u nekoliko faza u zavisnosti od vremene i tmperature.

Pojava odgrubljivanja taloga se zove prestaravanje. Pri veoma dugom držanju na određenoj temperaturipri veštačkom starenju može da dodje do prestaravanja (pada osobina).Pri prirodnom starenju neće doći do prestaravanja i čvrstoća je veća u odnosu na veštačko starenje.

Legure Al za livenje su brojne i mogu da se podele u pet osnovnih grupa:

I grupu legura čine legure Al sa Si, poznate pod imenom silumini;

II grupu legura čine legure Al sa Si i Cu;

III grupu legura čine legure Al sa Cu;

IV grupu legura čine legure Al sa Mg; sa visokim mehaničkim svojstvima i otpornošću prema koroziji; koriste se za izradu lakih odlivaka za transportne mašine;

V grupu legura čine legure Al sa drugim komponentama u koje pored nabrojanih spadaju i Ni, Zn i Ti.

Najpoznatije legure Al za livenje su silumini, legure Al sa Si koje su našle veliku primenu u automobilskoj i avio industriji. Odlikuju se dobrom tečljivošću, otporne su na dejstvo korozije, imaju zadovoljavajuće mehaničke osobine i dobro se zavaruju. Običan silumin sadrži 5–13% Si.

NIKL I NJEGOVE LEGURE

Nikl kristališe po površinski centriranoj kubnoj rešetki, izuzetno je otporan na koroziju, ima dobru vatrootpornost i magnetičan je do 360°C. Ova dva svojstva su osnovni razlozi primene Ni i njegovih legura u mašinstvu, a osnovna prepreka za širu primenu je visoka cena. Fizičko-mehnička svojstva su:gustina ρ = 8,89 g/cm3, temperatura topljenja Tt = 1453°C. Koristi se u hemijskoj,prehrambenoj i procesnoj industriji. Koristi se kao legirajuci element jer utiče na povećanje čvrstoce i žilavosti. Najčešće korišćene legure Ni su monel (Ni sa Cu), inkonel(Ni- Cr) i hasteloj.

TITAN I NJEGOVE LEGURE

On je metal srebrekaste bele boje gustine (4,5 g/cm3),temperatura topljenja 1665°C.Titan ima svojstvo polimorfije (menja kristalnu rešetku). Ima dobra mehanička svojstva,otpornost na koroziju u slatkoj i slanoj vodi,koristi se za izradu delova gasnih motora i turbina, kao i opremu u prehrambenoj, hemijskoj i petrohemijskoj industriji. Mana mu je što je izuzetno skup.

BAKAR I NJEGOVE LEGURE

Bakar

Cu je metal crvenkaste boje,temperatura topljenja čistog bakra je 1083°C i gustina iznosi 8,93 g/cm3.Ima visoku električnu provodljivost , hemiski je postojan prema koroziji u slanoj i u slatkoj vodi kao što se kod aluminijuma stvaraju. Kao čist metal, ima široku primenu u elektrotehnici za izradu provodnika zbog izvanrednih fizičkih svojstava – električne i toplotne provodljivosti. Mehanička svojstva se mogu popraviti legiranjem.

Odlikuje se velikom plastičnošću i sposobnošću obrazovanja velikog broja tehničkih legura sa dobrim mehaničkim i tehnološkim svojstvima.

Legure Cu sa Zn. Legure bakra sa cinkom kod kojih je sadržaj bakra veći od 50% (ostatak je Zn) su poznate pod imenom mesinzi. Ako Zn ima 5-20% onda se koristi u dekorativne svrhe. Zn isparava i zbog toga je izražena korozija.

Bronza Cu-Al bronza, Cu-Sn-kalajna bronza i Cu-Be – bronza.Bronza je otporan na koroziju.

Super legure

Super legurama nazivaju se još visoko temperaturne legure imaju dobra svojstva i na teperaturama t~1000°C.Izrađuju se na bazi Fe,Co,Ni a legiraju se sa Ni, Cr, Mo. Koriste se za visoke radne temperature. Koriste se za izradu lopatica gasnih turbina,u petrohemiji,raketni materijali itd.Najpoznatije super legure su Incloy,Rene,Inconel.

Tvrdi metali

Tvrdi metali su legure Co, V,Ce,Ti,W u kojima je Co osnovna komponenta  i ima ulogu da povezuje karbide u čvrst rastvor.Imaju visoku tvrdocu zahvaljujuci karbidima i postojanosti na visokim temperaturama. koriste se za izradu reznih alata. U odnosu na brzorezne čelike imaju veću tvrdocu,veću otpornost na habanje,ali manju žilavost.

Kompozitni materijali

Kompozitni materijali predstavljaju  dva ili više materijala sa različitim fizičko mehaničkim osobinama.Izborom odgovarajućeg odnosa elemenata  u strukturi kompozitnih materijala mogu se dobiti materijali sa željenim svojstvima krutosti,čvrstoće,tvrdoće, male mase...

Kompoziti se dele :

            1.disperziono ojačani se sastoje od veće količine sitnih čestica raspoređenih u osnovi i čestice su te koje preuzimaju deo ojačanja (beton)

            2.vlaknasto ojačani to su čvrsta,krta i kruta vlakna raspoređena u mekoj i plastičnoj osnovi (tkanine, uža,sportsak oprema,teniski reket)

            3.Laminati slojevi materijla slagani i međusobno povezani nekim organskim lepkom (šperploča, sigurnosna stakla)