Materijali 2 kolokvij 1

Question 1

Navedite moguće mehanizme očvrsnuća metalnih materijala.

Answer 1

Kristali mješanci, dvojne faze, očvrsnuće deformacijom i toplinska obrada.

Question 2

Kojim mehanizmima očvrsnuća je moguće povećati mehanička svojstva čistih metala?

Answer 2

Kristali mješanci, dvojne faze i očvrsnuće deformacijom.

Question 3

Opišite mehanizam očvrsnuća metalnih legura kristalima mješancima.

Answer 3

Kristali mješanci nastaju dodavanjem legirnog elementa u čvrstu otopinu kristalne rešetke osnovnog metala. Dodani elementi uzrokuju napetosti i iskrivljenja kristalne rešetke što otežava gibanje dislokacija.

Question 4

Opišite mehanizam očvrsnuća metalnih legura dvojnim fazama uz primjere legura.

Answer 4

Dodatkom nekih legura iznad njihove granice topivosti u osnovnom metalu pri sobnoj temperaturi, stvaraju se uvjeti za nastanak i druge faze pri primarnoj i sekundarnoj kristalizaciji. Nove su faze najčešće intermetalni spojevi koji su u pravilu više tvrdoće nego kristali mješanci.

Question 5

Opišite mehanizam očvrsnuća metalnih legura hladnom deformacijom.

Answer 5

Plastičnim deformiranjem pri sobnoj temp. zbog pomicanja i gomilanja dislokacija nastupa tzv. hladno očvrsnuće čime se povisuje granica elastičnosti.

Question 6

Skicirajte Uptonov dijagram i upišite postignute faze pri 20°C.

Answer 6

Čelici s manje od oko 0,6%C pri
sobnoj temperaturi postižu
mikrostrukturu 100% M. Čelici
kojima je postotak ugljika
između 0,6%C i 0,8%C pri sobnoj
temperaturi ne dostižu Mf te se
mikrostruktura pri sobnoj temp.
sastoji od M+Ap (pothlađeni
austenit). Nadeutektoidni čelici
(>0,8%C) ohlađuju se iz
dvofaznog područja Ap+K’’,
stoga je struktura pri sobnoj
temperaturi Ap+M+K’’.
+slika

Question 7

Od kojih se strukturnih faza sastoji kaljeni nadeutektoidni čelik?

Answer 7

Kaljeni nadeutektoidni čelik na sobnoj temperaturi ne dostiže Mf temperaturu, stoga ga je potrebno duboko hladiti. Postignuta kaljena mikrostruktura sastoji se od M+Az+K.

Question 8

Opišite prevorbu kristalne rešetke austenita u martenzit.

Answer 8

Nakon vrlo brzog hlađenja, atom C ostaje prisilno zarobljen u sustavu alfa-rešetaka te nastaje martenzitna rešetka u kojoj je stranica c veća od am, odnosno stupanj tetragonalnosti veći je od 1 (c/am>1). Martenzit ima BCT rešetku nastalu preklapanjem austenitne FCC rešetke i zadržavanjem atoma ugljika (bezdifuzijska pretvorba)

Question 9

U kojim uvjetima ohlađivanja te do kojih temperatura se provodi pretvorba u martenzit?

Answer 9

Pretvorba u martenzit provodi se do temperature Mf, odnosno dubokim hlađenjem na temperature ispod sobne kako bi se dosegla Mf temperatura. Provodi se vrlo brzo hlađenje čelika kako bi se omogućilo prisilno zadržavanje C atoma u novoj martenzitnoj rešetci.

Question 10

Na kojoj temperaturi se austenitizira nadeutektoidni čelik i zašto?

Answer 10

Temperatura austenitizacije nadeutektoidnog čelika iznosi A1+(50…70)°C. Nadeutektoidni čelici ugrijavaju se u dvofazno područje između A1 i Acm (A1=temp.
eutektoidne pretvorbe, Acm=temp. pretvorbe sekundarnog karbida) u kojemu su faze A+K”. Tako je struktura kaljenog čelika M+Az+K”, što je povoljno jer M i K imaju podjednaka mehanička svojstva.

Question 11

Opišite uvjete pretvorbe u martenzit i navedite o čemu ovisi postignuta tvrdoća.

Answer 11

Uvjeti martenzitne pretvorbe (zakaljivanja) su sljedeći:
1. transformacije F u A
2. dovoljan udio ugljika u čeliku (>0.35%C)
3. ugrijavanje u A područje
4. dovoljno brzo hlađenje ugljika
Postignuta tvrdoća ovisi o udjelu ugljika - Burnsov dijagram

Question 12

Skicirajte TTT dijagram podeutektoidnog čelika, ucrtajte tijek postupka kaljenja i opišite promjene mikrostrukture i svojstva.

Answer 12

Prvom krivuljom gašenja dobiva se 100% M mikrostruktura, te je tvrdoća maksimalno moguća za taj čelik. Podeutektoidni čelik prvo je bio ugrijan na temperaturu austenitizacije (ϑa=A3+(30…70)°C) u monofazno austenitno
područje.
Krivuljom gašenja br. 2 dobiva se isti rezultat,
te tu krivulju nazivamo gornja kritična krivulja 4
gašenja jer se radi o najmanje intenzivnom gašenju koje još daje strukturu 100% M.
Trećom krivuljom gašenja dolazi do stvaranja bainita (koji ima relativno visoku tvrdoću i žilavost) te je mikrostruktura gašenja B+M.
Četvrtom krivuljom gašenja mikrostruktura je P+B+M, a petu krivulju nazivamo donja kritična krivulja gašenja te
je ono najintenzivnije gašenje kojim se ne postiže martenzitna struktura.

Question 13

Skicirajte TTT dijagram nadeutektoidnog čelika, ucrtajte tijek postupka kaljenja i opišite promjene mikrostrukture i svojstva.

Answer 13

Nadeutektoidni se čelik ugrijava na temperaturu austenitizacije ϑa=A1+(50…70)°C u
dvofazno područje A+K. Struktura nadkritično gašenih nadeutektoidnih čelika do
sobne temperature jest martenzit, sekundarni karbid i zaostali austenit (M+K’‘+Az).
Nadeutektoidni čelici imaju veću tvrdoću od podeutektoidnih zbog većeg udjela
ugljika.

Question 14

Uz pomoć dijagrama , skicirajte TTT dijagram eutektoidnog čelika, ucrtajte tijek postupka kaljenja i opišite promjene mikrostrukture do sobne temperature.

Answer 14

(Slika 16., 36. str. u udžb. Osnove toplinske obradbe metala) - struktura nadkritično
gašenog eutektoidnog čelika je martenzit i zaostali austenit (M+Az). Kod nelegiranih
čelika s >0,6%C nema pojave bainita.

Question 15

Skicirajte izotermički TTT dijagram podeutektoidnog čelika, ucrtajte tijek postupka
izotermičkog žarenja i opišite dobivenu mikrostrukturu i svojstva.

Answer 15

Čelik se ugrijava na temperaturu austenitizacije, a zatim ga se hladi (u toploj kupki) na temperaturu izotermičke pretvorbe (Ms<ϑiz<A1). Na toj se temperaturi drži dovoljno
dugo da dođe do izotermičketransformacije pothlađenog
austenita. Izoterma br. 1 označava izotermičko žarenje
te se takvom obradom dobiva sljedeća struktura: za
podeutektoidne čelike F+P, za nadeutektoidne P+K.

Question 16

Uz skicu odgovarajućeg TTT dijagrama, ucrtajte tijek postupka izotermičkog
poboljšavanja, promjene mikrostrukture i svrhu provođenja kod podeutektoidnih
čelika.

Answer 16

(Slika iz prethodnog pitanja) Izotermičko poboljšavanje prikazano je krivuljom br. 2, postignuta je mikrostruktura bainita stoga ga nazivamo još i „obradbom na bainit“ ili
„austempering“. ϑiz<ϑi,min; u slučaju viših temp. (bližih ϑi,min) nastat će gornji bainit (svojstva sličnija perlitu), a u slučaju nižih temp. nastat će donji bainit svojstva sličnijih
martenzitu (donji bainit ima višu tvrdoću, nižu žilavost). Svrha ovakve izotermičke pretvorbe upravo je postizanje monofazne bainitne strukture po cijelom presjeku.

Question 17

Kvalitativno skicirajte dijagram utjecaja sadržaja ugljika na tvrdoću zakaljenog čelika.

Answer 17

Za C>0,8%, porast tvrdoće se
praktički potpuno zaustavlja.
Povećanjem sadržaja ugljika iznad
0,8%C povećava se količina tvrdog
željeznog karbida, ali i mekog
zaostalog austenita zbog čega nema
porasta tvrdoće nakon kaljenja.

Question 18

Kvalitativno skicirajte TTT dijagrame jednog slabo prokaljivog i jednog dobro
prokaljivog čelika i naznačite bitnu razliku.

Answer 18

(Slika 25., 46. str. u udžb. Osnove toplinske obradbe metala) Ako usporedimo 2 različita čelika jednakih promjera (utjecaj dimenzija - prokaljenost je čelika tim bolja što je predmet manjih dimenzija), vidjet ćemo da je bolje prokaljiv onaj čelik koji ima dulje trajanje inkubacije pothlađenog austenita

Question 19

Što je prokaljivost čelika i o čemu ovisi?

Answer 19

Prokaljivost čelika svojstvo je da čelik postigne što jednoličniju tvrdoću na poprečnompresjeku. Ovisi o kemijskom sastavu čelika (utjecaj vrste čelika - bolju će prokaljenost imati čelik s dužim trajanjem inkubacije) i veličini austenitnog zrna.
(PAZI: Prokaljenost =/= prokaljivost. Prokaljenost ovisi o prokaljivosti, dimenzijama
kaljenog predmeta i intenzivnosti gašenja.)

Question 20

U kojem su obliku legirni elementi prisutni u čelicima?

Answer 20

Legirni elementi mogu biti prisutni na sljedeće načine: supstituirani u F, A i M rešetci, spojeni s ugljikom u karbidima ili spojeni sa željezom u intermetalni spoj.

Question 21

Što su to karbidi i kakva su im svojstva?

Answer 21

Karbid je kemijski spoj metala s ugljikom (npr. Fe3C). Osnovna su im svojstva visoka tvrdoća, visoka krhkost i visoka otpornost na trošenje.

Question 22

Navedite vrste karbida i mikrostrukturni oblik pojave u čelicima.

Answer 22

Vrste karbida su cementit, legirani cementit, dvostruki karbid i specijalni karbidi, a u čelicima se pojavljuju u obliku lamela (u P), mreže oko metalnog zrna te sitnih čestica
raspršenih po metalnoj masi.

Question 23

Kako supstituirani legirni elementi utječu na TTT dijagram čelika?

Answer 23

Supstituirani legirni elementi otežavaju difuziju ugljika iz austenitne rešetke (odnosno otežavaju Ap→F+P+K), što se u TTT dijagramu očituje duljim trajanjem inkubacije i
same transformacije (dijagram je „potisnut u desno“ u područje duljeg vremena). Supstituirani legirni elementi pospješuju pretvorbu u martenzit te je Ms temperatura
niža od one pripadne ugljičnog čelika pa je sklonost pojavi Az veća.

Question 24

Usporedite svojstva zakaljivosti i prokaljivosti čelika s 1%C i čelika s 0,5%C i 5%Cr

Answer 24

Zakaljivost je viša što je veći udio ugljika otopljenog u austenitu (Burnsov dijagram -čelik većeg udjela ugljika postiže veću tvrdoću) te na zakaljivost ne utječu legirni
elementi, stoga čelik s 1%C ima bolju zakaljivost od čelika s 0,5%C legiranog kromom.Krom povisuje prokaljivost čelika jer otežava difuziju (Ap→F+P+K) što se očituje duljim trajanjem inkubacije. Bolju prokaljenost imat će čelik s duljim trajanjem inkubacije, dakle, čelik s 0,5%C i 5%Cr ima bolju prokaljivost od ugljičnog čelika s 1%C.

Question 25

Koji izvori toplinske energije se koriste pri površinskom kaljenju?

Answer 25

Primjenjuju se izvori topline velike gustoće energije: plinski plamenici, inducirana
električna energija, laserski snop i snop elektrona.

Question 26

Opišite promjene mikrostrukture i mehaničkih svojstava pri popuštanju kaljenog čelika.

Answer 26

Popuštanje je postupak zagrijavanja kaljenog čelika na neku temp. ispod A1 u svrhu povišenja žilavosti martenzita, sniženja zaostalih naprezanja te postizanja dimenzijske
postojanosti. Redovno dolazi i do sniženja tvrdoće postignute kaljenjem (što nije cilj već posljedica). Ugrijavanje martenzita na ϑp omogućava difuziju atoma ugljika što dovodi do sniženja stupnja tetragonalnosti (C se smjesti na povoljnije mjesto ili u nekim čelicima u potpunosti izađe iz rešetke). Posljedica sniženja stupnja
tetragonalnosti je povišenje žilavosti te sniženje naprezanja i tvrdoće. Pri popuštanju dolazi do sniženja prosječnog %C u M, stvaranja karbida i pretvorbe Az→M.

Question 27

Opišite tzv. sekundarno otvrdnuće, promjene mikrostrukture i tvrdoće.

Answer 27

Kod visokolegiranih čelika s povišenim sadržajem C, pri visokotemperaturnom popuštanju hlađenjem s ϑp, Az pretvara se u karbide popuštanja (Kp) i sekundarni
martenzit (M’’), odnosno iz austenita nastaju dvije tvrde faze (Kp i M’’) što ima za posljedicu povišenje tvrdoće (tvrdoća je tada čak i viša od kaljenog (još nepopuštenog) čelika).

Question 28

Skicirajte dijagram čelika koji ima izraženu pojavu sekundarne tvrdoće i objasnite
uzrok toj pojavi.

Answer 28

(Slika 42., 71. str. u udžb.
Osnove toplinske obradbe metala)
Visokolegirani čelici koji sadrže V, W ili Mo nakon
gašenja imaju strukturu martenzita s većim udjelom
visokolegiranog zaostalog austenita (20 do 40 %), a
eventualno i neki udio neotopljenih karbida. Pri popuštanju oko 550 °C doći će do kondicioniranja zaostalog
austenita te će iz njega precipitirati atomi legirajućih elemenata i otopljenog ugljika koji tvore karbide popuštanja. (više objašnjeno u pitanju 27.)

Question 29

U dijagramu popuštanja opišite pojam otpornosti prema popuštanju.

Answer 29

(Slika iz 28. pitanja) Neki legirajući elementi u kaljenim čelicima povećavaju otpornost popuštanju (W, V, Mo,…) tako da tvrdoća čelika ne opada tako intenzivno s porastom
temperature popuštanja.

Question 30

Skicirajte dijagram popuštanja i ucrtajte krivulje jednog čelika koji ima slabu i jednog koji ima povišenu otpornost prema popuštanju.

Answer 30

Slika iz 28. pitanja)

Question 31

Opišite postupak poboljšavanja čelika i kakva se svojstva time dobivaju?

Answer 31

Poboljšavanje čelika postupak je toplinske
obrade koji se sastoji od kaljenja i
visokotemperaturnog popuštanja (ϑp>400°C) s
ciljem postizanja visoke granice tečenja i visoke
žilavosti. Poboljšavaju se samo podeutektoidni čelici.

Question 32

U dijagramu naprezanje-istezanje kvalitativno pokažite razlike za kaljeni i poboljšani čelik.

Answer 32

(Slika 45., 73. str. u udžb. Osnove toplinske obradbe metala)

Question 33

Opišite postupak i promjene mikrostrukture pri toplinskoj obradi kojom se obnavlja deformabilnost metalnog materijala koji je bio očvrsnut hladnom deformacijom.

Answer 33

Toplinska obrada kojom se obnavlja deformabilnost metalnog materijala prethodno obrađenog hladnom deformacijom zove se rekristalizacijsko žarenje. Provodi se usvrhu postignuća ponovnih poligonalnih kristalnih zrna jer se prilikom hladne deformacije promijenila tekstura materijala - kristalna su zrna spljoštena u smjeru
deformacije. Rekristalizacija vraća duktilnost koja se pri hladnom deformiranju smanjila. Izvodi se pri različitim temperaturama ovisno o vrsti metala, kod čelika
između 500 i 650°C.

Question 34

U kojem temperaturnom području se provodi žarenje za redukciju zaostalih naprezanja? Koja je svrha?

Answer 34

Žarenje za redukciju zaostalih naprezanja izvodi se za čelike pri temperaturama od 400 do 650°C u svrhu razgradnje zaostalih naprezanja (napetosti) nastalih prilikom prethodnih obrada. Ne dolazi do bitnijih promjena mehaničkih svojstava. Predmet se pri temp. žarenja drži nekoliko sati, a zatim vrlo sporo hladi.

Question 35

Opiši postupak žarenja za nadeutektodni čelik i opiši mikrostrukturu.

Answer 35

Žarenje za redukciju zaostalih naprezanja izvodi se za čelike pri temperaturama od 400 do 650°C u svrhu razgradnje zaostalih naprezanja (napetosti) nastalih prilikom prethodnih obrada. Ne dolazi do bitnijih promjena mehaničkih svojstava. Predmet se pri temp. žarenja drži nekoliko sati, a zatim vrlo sporo hladi.

Question 36

Opišite postupak toplinske obrade i promjene mikrostrukture u cilju postizanja
dobre rezljivosti

Answer 36

Žarenje na grubo zrno izvodi se pri temp. znatno iznad A3 u svrhu postizanja grubog
zrna niskougljičnih čelika, koji su u tom stanju lakše obradljivi odvajanjem čestica
(rezanjem). Takvo stanje čelika samo je međustanje, potrebno je nakon strojne
obrade čelik dovesti u prikladno stanje uporabe nekom drugom topl. obradbom.
Posebno povoljna mikrostruktura postiže se kada se nakon visokotemperaturnog
austenitiziranja provede izotermička pretvorba pothlađenog A u F i P.

Question 37

Opišite postupak toplinske obrade i promjene mikrostrukture u cilju postizanja
usitnjenja zrna podeutektoidnih čelika.

Answer 37

Normalizacijsko žarenje postupak je ugrijavanja čelika do temp. žarenja te podkritičnog ohlađivanja u svrhu postignuća sitnozrnate i jednolične mikrostrukture.
Primjenjuje se ako u postupcima preradbe/toplinske obradbe pogrubi kristalno zrnočime se snižava žilavost čelika.

Question 38

Koja svojstva imaju sitnozrnati normalizirani čelici?

Answer 38

Usitnjenjem zrna dolazi do povećanja žilavosti. Imaju relativno nisku tvrdoću

Question 39

Skicirajte dijagram podeutektoidnog čelika, ucrtajte tijek postupka normalizacijskog žarenja i opišite promjene mikrostrukture i svojstva.

Answer 39

(Slika 51., 79. str. u udžb. Osnove toplinske obradbe metala) Podeutektoidni se čelici zagrijavaju na temp. ϑn=A3+(30…70)°C te se hlade na zraku do sitnozrnate feritnoperlitne mikrostrukture.

Question 40

Koji su preduvjeti da je neka legura prikladna za precipitacijsko očvrsnuće?

Answer 40

Preduvjeti za precipitacijsko očvrsnuće su sljedeći: otopivost legirajućeg elementa u čvrstoj otopini osnovnog metala povećava se porastom temperature i legirajući
element tvori intermetalni spoj s osnovnim metalom.

Question 41

Opišite etape postupka precipitacijskog očvrsnuća i promjene mikrostrukture. Navedite primjere materijala koji se tako mogu očvrsnuti.

Answer 41

Pri sobnoj temperaturi legura je heterogena, povisuje se temperatura te se rastvara intermetalni spoj (faza β). Pri povišenoj temp. legura postaje jednofazna (faza alfa -kristal mješanac) pri čemu se ostvaruje ujednačenje kem. sastava → homogenizacija. Legirajući je element u potpunosti rastvoren u rešetki osnovnog metala. Pri povišenim je temperaturama velik udio praznina i nepravilnosti u krist. rešetki - takvo se stanje prisilno želi zadržati i pri sobnoj temp. pa se provodi brzo hlađenje. Nakon brzog hlađenja, čvrsta otopina prezasićena jekomponentom B. Dugim držanjem pri sobnoj temp. ili kraćim pri povišenoj, odvija se proces nastajanja izlučevina (precipitata) intermetalnog spoja β → dozrijevanje (prirodno/umjetno). Tako se mogu očvrsnuti neke bakrene (Cu-Be) i neke aluminijeve legure (durali, Al-Si-Mg).

Question 42

Opišite postupak cementiranja čelika i svrhu primjene.

Answer 42

Cementiranje je postupak koji se sastoji od obogaćivanja površinskih slojeva proizvoda ugljikom, kaljenja pougljičenog proizvoda i niskotemperaturnog
popuštanja. Osnovni je cilj postizanje tvrdih površinskih slojeva strojnog dijela otpornih na trošenje, a da pritom jezgra strojnog dijela postigne što višu otpornost na
udarna opterećenja (žilavost).

Question 43

Opišite promjenu kemijskog sastava, mikrostrukture i svojstava u površinskom sloju cementiranog čelika.

Answer 43

Cementiraju se niskougljični čelici (max. 0,25%C) - samim kaljenjem ne postižu visoku površinsku tvrdoću (Burnsov dijagram), već im treba povisiti sadržaj ugljika upovršinskim slojevima kako bi postali bolje zakaljivi. Provodi se u sredstvu koje je u stanju da na temperaturi pougljičavanja (900-950°C) predaje čeliku ugljik. Dubina pougljičenja iznosi 0,5 do 1,5 mm. Pri temp. pougljičavanja sredstva daju tzv.
potencijal ugljika zbog kojeg ugljik biva apsorbiran u površinski sloj te dalje napreduje u unutrašnjost (dubina pougljičenja ovisi o trajanju postupka i temperaturi na kojoj se provodi). Nakon pougljičenja, proizvod se austenitizira i gasi u svrhu otvrdnuća obogaćenih površinskih slojeva (izbor temperature austenitizacije ovisi o željenim
svojstvima jer ne može ujedno biti optimalna za jezgru i rubni sloj).

Question 44

Prikažite dijagramom faze cementiranja čelika i navedite svrhu provođenja tog postupka.

Answer 44

Pougljičavanje - sporo hlađenje - kaljenje - gašenje - niskotemperaturno popuštanje (slika)

Question 45

Opišite mikrostrukturu i svojstva nitriranih čelika.

Answer 45

Nitriranje je obogaćivanje površinskih slojeva dušikom. Provodi se pri temp. 500-580°C u trajanju od nekiliko sati pri čemu nastaje tanki sloj nitrida (kem. spoj željeza i dušika) otporan na adhezijsko trošenje. Ispod sloja nitrida, dušik je dijelom otopljen u feritu što također doprinosi povišenju tvrdoće.