Materijali 2 - kolokvij 2

Question 1

Što je čelik?

Answer 1

Čelik je metastabilno kristalizirana Fe-C legura (< ili = 2%C) uz prisutne pratioce (Si, Mn) i nečistoće (P, S i ostali) te uz eventualni dodatak 1 ili više legirnih elemenata.

Question 2

Od kojih se sirovina i u kojim postrojenjima proizvodi sirovo željezo?

Answer 2

Sirovo se željezo proizvodi u visokim pećima od željezne rude (hematita, magnetita, limonita, siderita), koja se skupa s vapnencem i koksom ubacuje na vrh visoke peći te
se na dnu dovodi vrući zrak koji pali koks. Reakcijom između zraka i koksa razvija se CO koji reducira željezov oksid. Nastaju sirovo željezo, troska i visokopećni plin.

Question 3

Navedite osnovne vrste sirovog željeza obzirom na kemijski sastav i oblik pojave ugljika.

Answer 3

Nastaje sivo sirovo željezo i bijelo sirovo željezo. Sivo sadrži listićasti grafit te se od njega proizvodi sivi lijev ili kuglasti grafit iz kojeg nastaje nodularni lijev. Bijelo željezo
ima povišen %Mn i ugljik u karbidu. Tvori bijeli tvrdi lijev, a decementacijskim žarenjem dobiva se bijeli ili crni temper lijev.

Question 4

Opišite utjecaj sadržaja ugljika na osnovna svojstva nelegiranih čelika.

Answer 4

Ugljik je najutjecajniji element u čelicima, o njemu ovisi mikrostruktura, a time i njegova svojstva. Kod nelegiranih čelika s <0,8%C povišenjem udjela ugljika raste tvrdoća (HV), granica tečenja (Re), vlačna čvrstoća (Rm), a smanjuje se istezljivost (A),kontrakcija (Z) i udarni rad loma (zato što raste udio tvrdog i krhkog Fe3Cid -eutektoidnog karbida). Kod čelika s >0,8%C povišenjem udjela ugljika i dalje raste HV, ali pada vlačna čvrstoća jer je povišen udio sekundarnog karbida (Fe3C’’). Porastom %C pada hladna deformabilnost i zavarljivost, a raste zakaljivost.

Question 5

Usporedite strukturu i osnovna svojstva nelegiranih čelika s 0,2%C i 1,2%C.

Answer 5

Čelik s manjim postotkom ugljika bit će lošije zakaljiv od onog s većim postotkom. Čelik s 1,2%C također će postizati veću tvrdoću, no ima manju istezljivost i kontrakciju od niskougljičnog čelika. Hladna deformacija pada porastom %C, stoga će čelik s
0,2%C imati bolju sposobnost hladne deformacije, također i bolju zavarljivost.

Question 6

Kako silicij (Si) i mangan (Mn) utječu na oblik pojave ugljika u sirovom željezu?

Answer 6

Silicij je grafitizator - pospješuje pojavu ugljika u obliku grafita, a mangan je cementator - pospješuje stvaranje Fe3C.

Question 7

Navedite strukturu općeg konstrukcijskog čelika za nosive konstrukcije i osnovna svojstva.

Answer 7

Opći konstrukcijski čelik za nosive konstrukcije ima <0,2%C, te feritno-perlitnu strukturu. Kako bi se smanjila opasnost od krhkog loma, treba biti što niži postotak ugljika i nečisoća (P, S, N) te što manje uključaka. Osnovna su svojstva takvog konstrukcijskog čelika nosivost i sigurnost (visoka granica razvlačenja Re, vlačna čvrstoća Rm i žilavost KU/KV), velika površina ispod krivulje u F-∆l dijagramu što jamči sigurnost od krhkog loma. Temperatura uporabe je od -40 do +50°C. Treba imati što bolju zavarljivost, oblikovljivost i rezljivost.

Question 8

Koja faza u mikrostrukturi prevladava kod općih konstrukcijskih čelika za nosive konstrukcije i koje tehnološko svojstvo je zbog toga dobro?

Answer 8

Prevladava ferito-perlitna mikrostruktura no ako je viši sadržaj ugljika i perlitne faze u mikrostrukturi, iznos granice razvlačenja bit će viši. Visoka granica razvlačenja bitno je svojstvo za bolju nosivost i sigurnost čelika.

Question 9

Koje su osnovne razlike u svojstvima općih konstrukcijskih čelika za nosive konstrukcije i čelika za strojogradnju? Imaju li iste mikrostrukture i konstituente?

Answer 9

Čelici za strojogradnju imaju 0,3 - 0,5%C, stoga imaju slabiju zavarljivost od općih konstrukcijskih čelika za nosive konstrukcije. Imaju višu vlačnu čvrstoću te višu tvrdoću i veću otpornost na trošenje. Čelici za strojogradnju nemaju zahtjeve na
žilavost i zavarljivost.

Question 10

Skicirajte dijagram naprezanje-istezanje općeg konstrukcijskog čelika za nosive konstrukcije i čelika povišene čvrstoće. Kako se postiže povišena čvrstoća?

Answer 10

Povišena se čvrstoća postiže mehanizmima
očvrsnuća: očvrsnuće kristalima mješancima
(povišenje %C, legiranje), očvrsnuće
martenzitnom transformacijom (kaljenje),
očvrsnuće hladnom deformacijom (povisuje
gustoću dislokacija), očvrsnuće usitnjenjem
zrna, očvrsnuće precipitacijom (disperzijom
faza)

Question 11

Koja dobra svojstva imaju normalizirani sitnozrnati čelici i zašto?

Answer 11

Normalizirani sitnozrnati čelici nisu osjetljivi na krhki lom i imaju dobru zavarljivost.
Dobra zavarljivost osigurana je niskim masenim udjelom ugljika (<0,2%) i Ce<0,4 (vrijednost ekvivalenta ugljika).

Question 12

Skicirajte dijagram naprezanje-istezanje općeg konstrukcijskog čelika za nosive
konstrukcije i normaliziranog sitnozrnatog čelika i u tom dijagramu naznačite
najvažnija svojstva.

Answer 12

dijagram kao u 10. zadatku

Question 13

Koji su kriteriji odlučujući za odabir vrste čelika unutar skupine čelika za
cementiranje?

Answer 13

Odgovarajući čelik za cementiranje odabiremo po zahtijevanim mehaničkim
svojstvima sredine presjeka. Nelegirani čelici za cementiranje bolji su za dijelove
manjih presjeka koji nisu udarno opterećeni zbog njihove slabije prokaljivosti.
Legirani i jače legirani čelici bolje su prokaljivi te su bolji izbor za dijelove većih
dimenzija i viša mehanička opterećenja.

Question 14

Objasnite zašto svi čelici za cementiranje posjeduju približno jednaku otpornost
trošenju (skica).

Answer 14

Otpornost na trošenje cementiranog površinskog sloja približno je jednaka za sve
čelike. Ona ovisi o tvrdoći rubnog sloja koji je kod svih cementiranih čelika pougljičen
i na taj način zakaljiv na maksimalnu tvrdoću. Pougljičavanjem se površinski slojevi
obogaćuju ugljikom na 0,8 - 0,9%C te dostižu maksimalnu postizivu tvrdoću →
Burnsov dijagram. Legirni elementi ne utječu na zakaljivost čelika.

Question 15

Koja skupina čelika ima najbolju kombinaciju visokih statičkih i dinamičkih
otpornosti pri normalnim temperaturama i kakvom mikrostrukturom to postiže?

Answer 15

Najbolju kombinaciju statičkih i dinamičkih otpornosti pri normalnim temp. imaju
čelici za poboljšavanje - koriste se za dijelove koji u radu moraju postići kombinaciju
visoke vlačne čvrstoće Rm, granice razvlačenja Rp0,2, istezljivosti, žilavosti i
dinamičke izdržljivosti Rd. Poboljšavaju se nelegirani i niskolegirani čelici s 0,2 -
0,6%C. Poboljšavanje jest kaljenje + visokotemperaturno popuštanje, stoga
poboljšani čelici imaju visokopopuštenu martenzitnu mikrostrukturu.

Question 16

Koje su razlike u svojstvima čelika za cementiranje i čelika za poboljšavanje? Koje
svojstvo čelika određuje postizanje mehaničkih svojstava u jezgri strojnog dijela?

Answer 16

Čelici za cementiranje imaju višu tvrdoću na površini te su namijenjeni za dijelove od
kojih se zahtijeva otpornost na trošenje. Kako bi mogli postići željena svojstva,
osnovni uvjet za čelike za poboljšavanje je dobra prokaljenost. Čelici za poboljšavanje
postižu jednoličnija svojstva po čitavom presjeku (npr. istezljivost, granica
razvlačenja), dok se kod čelika za cementiranje svojstva uvelike razlikuju po presjeku.
Prokaljivost određuje postizanje mehaničkih svojstava u jezgri strojnog dijela.

Question 17

Koji je osnovni kriterij za odabir vrste čelika unutar skupine čelika za poboljšavanje?
Opišite način ispitivanja tog svojstva.

Answer 17

Izbor čelika za poboljšavanje vrši se na temelju zadanih dimenzija i visine opterećenja,
odnosno na temelju traženih vrijednosti mehaničkih svojstava na kritičnom mjestu
presjeka. Čelici se biraju na osnovu prokaljivosti - legirani čelici bolje su prokaljivi jer
produljuju vrijeme inkubacije. Dakle, za dijelove velikih dimenzija od kojih se traži
visoka granica razvlačenja i udarni rad loma, najbolje
je odabrati visokolegirane čelike za poboljšavanje.
Prokaljivost se ispituje Jominy metodom - intenzivno
se hladi čelo epruvete (propisanih dimenzija i oblika)
pa se na različitim udaljenostima od čela postižu
različite mikrostrukture i tvrdoće ispitivanog uzorka.
Konstruira se Jominy krivulja koja predstavlja tijek
tvrdoća u ovisnosti o udaljenosti od gašenog čela
epruvete.

Question 18

Objasnite što je to prokaljenost, a što prokaljivost čelika. Skicirajte razliku u
prokaljivosti dvaju čelika.

Answer 18

Prokaljivost je postizanje jednoličnih svojstava,
odnosno jednolične tvrdoće na poprečnom presjeku, te ovisi o kemijskom sastavu
čelika i veličini austenitnog zrna, tj. vrsti čelika i vremenu inkubacije Ap. Prokaljenost
čelika ovisi o prokaljivosti, dimenzijama čelika te intenzivnosti gašenja koje je
primijenjeno. (slika u prethodnom pitanju)

Question 19

Zašto mehanička svojstva čelika za poboljšavanje ovise o dimenzijama? Koje vrste
se primjenjuju za veće dimenzije i viša opterećenja?

Answer 19

Mehanička svojstva ovise o dimenzijama jer što su veće dimenzije čelika, to će on
imati slabiju prokaljenost. Zato se za velike dimenzije i viša opterećenja koriste
legirani i visokolegirani čelici (imaju bolju prokaljivost).

Question 20

Što utječe na prokaljivost čelika, a što na prokaljenost dijela? Zašto je važno da
konstrukcijski dio bude dobro prokaljen?

Answer 20

Prokaljivost je postizanje jednoličnih svojstava,
odnosno jednolične tvrdoće na poprečnom presjeku, te ovisi o kemijskom sastavu
čelika i veličini austenitnog zrna, tj. vrsti čelika i vremenu inkubacije Ap. Prokaljenost
čelika ovisi o prokaljivosti, dimenzijama čelika te intenzivnosti gašenja koje je
primijenjeno.Konstrukcijski dio mora biti dobro prokaljen kako bi postigao
jednoličnost svojstava po čitavom presjeku

Question 21

Skicirajte kako se mijenjaju mehanička svojstva čelika za poboljšavanje s
temperaturom popuštanja.

Answer 21

Potrebna temperatura
popuštanja određuje se prema
traženim vrijednostima
mehaničkih svojstava nakon
poboljšavanja, iz dijagrama
koji postoje za svaki čelik.

Question 22

Po kojim se svojstvima razlikuju legirani od nelegiranih čelika za poboljšavanje?

Answer 22

Legirani čelici za poboljšavanje bolje su prokaljivi te podnose veća radna opterećenja,
postižu više granice razvlačenja i udarni rad loma.

Question 23

Koja su osnovna tražena svojstva čelika za opruge i kako se ona postižu?

Answer 23

Od opruge se očekuje da pod djelovanjem opterećenja ostvari traženu elastičnu
deformaciju te nakon rasterećenja postigne elastični povrat. Modul elastičnosti isti je
za sve čelike, stoga višu elastičnu deformaciju možemo dobiti samo povišenjem
granice razvlačenja Re ili Rp0,1. To se ostvaruje povišenim masenim udjelom ugljika
te legiranjem sa Si, Mn, Cr i V. Ostala tražena svojstva za čelik za opruge su: visoka
vlačna čvrstoća Rm (sigurnost od loma), dovoljna rezerva plastičnosti (omjer
R0,1/Rm), otpornost na udarno opterećenje (ud. rad loma KU) te visoka dinamička
izdržljivost Rd (otpornost na lom od udara). Ta se svojstva, osim legiranjem, postižu i
poboljšavanjem ili izotermičkim poboljšavanjem, hladnim deformiranjem te
patentiranjem (izotermičko poboljšavanje + hladna deformacija).

Question 24

Skicirajte u jednom dijagramu ovisnost naprezanja i istezanja za opći konstrukcijski
čelik za nosive konstrukcije i čelik za opruge te naznačite najvažnije traženo
svojstvo čelika za opruge.

Answer 24

-slika

Question 25

Navedite opće uvjete antikorozivnosti. Koja skupina čelika mora biti legirana gamagenim elementima?

Answer 25

Načini zaštite od korozije su isključivanje uzroka, dodavanje stabilizatora u medij, primjena materijala otpornih na koroziju te primjena zaštitnih prevlaka / katodne i anodne zaštite. Uvjeti postojanosti čelika na opću koroziju: u čeliku treba biti barem 12%Cr (obavezno u kristalu mješancu) - na površini će umjesto željeznog oksida nastajati kromov oksid, čelik treba imati homogenu monofaznu mikrostrukturu (F, A ili M) bez karbida, oksida ili drugih intermetalnih spojeva jer ne smije biti faza s različitim elektropotencijalima. Gamagenim elementima legiraju se austenitni nehrđajući čelici jer šire područje austenita naprotiv kromu koji je jak feritotvorac.

Question 26

Navedite tipove selektivne korozije (uz skicu). Koji tip selektivne korozije je naročito opasan za visokolegirane korozijski postojane čelike?

Answer 26

Tipovi selektivne korozije su: točkasta, kontaktna, interkristalna i napetosna korozija. Za visokolegirane korozijski postojane čelike, najopasnija je interkristalna korozija.

Question 27

Objasnite nastajanje interkristalne korozije i načine sprječavanja.

Answer 27

Kod interkristalne korozije pukotina napreduje nevidljivo uzduž granica kristalnog zrna, razara se metalna veza među kristalima što dovodi do raspada. Duljim držanjem nehrđajućeg čelika pri temperaturi 425-815°C (npr. pri zavarivanju) dolazi do SENZIBILIZACIJE, tj. do stvaranja kromovih karbida po granicama zrna. Zbog toga su područja uz granice zrna osiromašena kromom, pa više ne ispunjavaju nužne uvjete otpornosti na koroziju. Granice zrna postaju anoda koja se troši. Takva se korozija može spriječiti legiranjem stabiliziranog čelika s Ti, Nb ili Ta, jer su oni jači karbidotvorci od kroma stoga će se stvarati njihovi karbidi umjesto kromovog karbida. Može se izabrati čelik sa što nižim %C jer uz manjak ugljika ne mogu se stvarati ni karbidi. Ukoliko je već došlo do senzibilizacije, čelik treba ugrijati na oko 1100°C i gasiti u vodi. Na taj se način karbidi na granicama zrna ponovno otapaju u A ili F, kromovi karbidi nestaju s granica zrna te je A ili F ponovno stabiliziran.

Question 28

Objasnite kontaktnu koroziju i načine njenog sprječavanja.

Answer 28

Kontaktna korozija nastaje pri dodiru dvaju različitih metala/legura u prisustvu elektrolita. Manje otporan metal postaje anoda i biva napadnut. Od kontaktne se korozije moguće zaštititi pomoću katodne zaštite, izbjegavanjem metala različitih potencijala, izoliranjem elemenata u spoju i dodavanjem inhibitora u elektrolit.

Question 29

Objasnite napetosnu koroziju i načine njenog sprječavanja.

Answer 29

U slučajevima napetosne korozije, pukotine su posljedica statičkog ili dinamičkog vlačnog naprezanja u agresivnoj sredini, nastaju na mjestima zaostalih naprezanja (zavar, hladno deformirani lokaliteti). Takvoj su koroziji podložni austenitni i martenzitni čelici. Može se spriječiti žarenjem za smanjenje zaostalih naprezanja.

Question 30

Navedite osnovne razlike u svojstvima feritnih i martezitnih čelika, koja je sličnost, a koja osnovna razlika u kemijskom sastavu?

Answer 30

Martenzitni čelici imaju višu tvrdoću i čvrstoću te otpornost na trošenje, povišen %C. Feritni čelici sadrže malen %C (<0,1%C), magnetični su, relativno mekani i slabo oblikovljivi deformiranjem. I jedan i drugi legiraju se s >13%Cr (nehrđajući čelici).

Question 31

Razlika u legiranju između austenitnih i feritnih čelika? Što se legira gamagenim elementima?

Answer 31

Feritni čelici legiraju se s 13-17%Cr, dok se austenitni čelici legiraju s >18%Cr i >8%Ni (nikal se može zamijeniti manganom). Ostali legirni elementi kod austenitnih čelika su Mo, Ti, Nb, Ta i dr. Gamagenim se elementima legiraju austenitni nehrđajući čelici jer je krom (koji je neizostavan legirni element) jak feritotvorac.

Question 32

Navedite skupine čelika za rad pri povišenim i visokim temperaturama. Koji se čelici primjenjuju za najviše radne temperature i zašto?

Answer 32

Vrste mehanički otpornih čelika pri povišenim temp. su: ugljični, niskolegirani (Cr, Mo, V), visokolegirani (12%Cr martenzitni čelici) i austenitni Cr-Ni (+ Mo, W, V, Ti, Nb) čelici. Za najviše radne temperature primjenjuju se austenitni Cr-Ni čelici (Tr=600...750°C). Imaju visoku mehaničku otpornost pri visokim temperaturama i visoku otpornost puzanju, legiraju se jakim karbidotvorcima - izlučivanje karbida i toplinski postojanih intermetalnih spojeva (nakon precipitacijskog očvršćivanja). Austenitna mikrostruktura s FCC rešetkom daje manju pokretljivost atoma od BCC rešetke pa je otežan proces difuzije.

Question 33

Navedite načine povišenja mehaničke otpornosti čelika za rad pri povišenim i visokim temperaturama.

Answer 33

Na poboljšanje mehaničke otpornosti čelika za rad pri povišenim temp. utječe se legiranjem i strukturom. Legirni elementi u kristalu mješancu koče pokretljivost atoma (Mo i Co), a legiranje elementima koji tvore karbide, nitride i intermetalne faze u obliku sitno disperziranih čestica otežavaju gibanje dislokacija. Austenitna struktura s FCC kristalnom rešetkom daje manju pokretljivost atoma od feritne BCC stoga je veći otpor sklizanju atoma i otežana difuzija. Povoljno je krupnije zrno jer ima manje graničnih površina.

Question 34

Koje je osnovno traženo svojstvo čelika koji je izvrgnut djelovanju vrućih plinova oko 800°C i kako se ono ostvaruje?

Answer 34

Osnovno traženo svojstvo je vatrootpornost - otpornost visokotemperaturnoj oksidaciji. Da bi se to postiglo, čelici se legiraju s Cr, Si i Al - ti elementi imaju veći afinitet prema kisiku od željeza pa se kod takvih čelika na površini stvaraju oksidi Cr2O3, SiO2, Al2O3 koji štite površinu čelika od daljnje oksidacije.

Question 35

Koje je istaknuto svojstvo vatrootpornih čelika i kako se ono postiže? Navedite moguće mikrostrukture.

Answer 35

Vatrootpornost - objašnjeno u 35. zadatku. Moguća su feritna i austenitna mikrostruktura.

Question 36

Navedite skupine čelika za rad pri niskim temperaturama.

Answer 36

Vrste čelika za rad pri niskim temperaturama su niskolegirani sitnozrnati, čelici legirani s Ni za poboljšavanje te Cr-Ni i Cr-Ni-N, Cr-Ni-Mo-N i Cr-Mn-Ni-N austenitni čelici.

Question 37

Koje je osnovno svojstvo čelika za radi pri niskim temperaturama? Koja skupina i zašto ima to svojstvo dobro zadržano i do najnižih temperatura?

Answer 37

Osnovni zahtjev na čelike za rad pri niskim temperaturama je dovoljna žilavost, odnosno neosjetljivost na krhki lom. Cr-Ni austenitni čelici izdržavaju temperature i do -270°C. Njegovo svojstvo uvelike ovisi o strukturi (FCC rešetka) te stabilnosti. Stabilnost strukture postiže se sniženjem sadržaja ugljika i povišenjem sadržaja nikla.

Question 38

Zašto su austenitni čelici prikladni za primjenu do najnižih temperatura, a nelegirani nisu?

Answer 38

Zato što se povišenjem sadržaja nekih legirnih elemenata, primjerice nikla (u novije vrijeme i N), postiže stabilnost strukture. Stabilnost austenita važan je preduvjet dobre žilavosti pri niskim temperaturama.

Question 39

Kako je postignuta austenitna mikrostruktura na normalnoj temperaturi? U kojim tipičnim uvjetima rada se primjenjuju ovi čelici?

Answer 39

nema odgovora

Question 40

Navedite temeljne (primarne) i sekundarne zahtjeve na alatne čelike.

Answer 40

Primarni zahtjevi su otpornost trošenju (abrazija, adhezija), otpornost popuštanju i žilavost. Sekundarni su zahtjevi rezljivost, što viša zakaljivost i prokaljivost, otpornost na koroziju, što manje deformacija pri kaljenju te što niža cijena (i dr.).

Question 41

Kako se postiže visoka otpornost na abrazijsko trošenje kod alatnih čelika? Koje je suprotno loše svojstvo?

Answer 41

Otpornost abrazijskom trošenju alata funkcija je mikrostrukture, traže se martenzitna mikrostruktura jer je martenzit dobro vezivo za karbide pa nema opasnosti od „čupanja“ karbida i što viši udio kvalitetnih karbida. Suprotno abraziji, kod alatnih čelika javlja se i adhezija - naljepljivanje (navarivanje) obrađivanog metala na alat.

Question 42

Navedite faze u strukturi nelegiranog konstrukcijskog i nelegiranog alatnog čelika nakon nadkritičnog gašenja

Answer 42

nema odgovor

Question 43

Navedite mikrostrukturne konstituente prije i poslije kaljenja visokolegiranog alatnog čelika za hladni rad koji ima podeutektički sastav. Koja svojstva proizlaze iz takve strukture?

Answer 43

→ visokougljični ledeburitni s 12%Cr - Mikrostruktura prije kaljenja je Ap+K''+L (ledeburit), a nakon kaljenja M+K''+Kᵉ+Az. Imaju visoku otpornost trošenju te su teško obradljivi odvajanjem čestica.

Question 44

Koje je povoljno svojstvo eutektičkog alatnog čelika u odnosu na nadeutektoidni i zašto?

Answer 44

nema odgovora

Question 45

Definirajte uz pomoć dijagrama svojstvo alatnih čelika za topli rad.

Answer 45

Alatni čelici za topli rad imaju dobru otpornost popuštanju te se niskim %C postiže dobra žilavost i otpornost toplinskom umoru. Pri visokim temperaturama postiže se „sekundarna tvrdoća“ kod čelika legiranih s karbidotvorcima (W, Mo, Cr, V)

Question 46

Koja su istaknuta svojstva brzoreznih čelika i zašto? Skicirajte dijagram nelegiranih i brzoreznih alatnih čelika koji govori o otpornosti popuštanju.

Answer 46

Brzorezni čelici imaju izvrsnu otpornost na trošenje te otpornost popuštanju (pri Tr=500...600°C), te nisku žilavost. Povišen im je udio ugljika zbog čega imaju veću tvrdoću, a legiraju se jakim karbidotvorcima pa dolazi do pojave sekundarnog očvrsnuća. Struktura nakon kaljenja je M+Az+K"+Kᵉ, Az popuštanjem pri 500...600°C prelazi u M" i Kp

Question 47

Koji su metastabilno, a koji mješovito kristalizirani Fe-ljevovi?

Answer 47

Metastabilno su kristalizirani bijeli tvrdi lijev i čelični lijev, a mješovitu mikrostrukturu imaju sivi lijev, nodularni lijev i temper lijev.

Question 48

Koje su vrste željeznih ljevova? Navedite mikrostrukturne konstituente metastabilno kristaliziranih ljevova.

Answer 48

Vrste željeznih ljevova su čelični, bijeli tvrdi, sivi, nodularni (žilavi) i temper (kovkasti) lijev. Kod metastabilno kristaliziranih ljevova (čelični i bijeli tvrdi) ugljik je vezan u karbidu (Fe3C).

Question 49

Navedite osnovne oblike grafita kod Fe-ljevova te koji je najnepovoljniji u uvjetima vlačnog opterećenja i zašto?

Answer 49

Grafit se u Fe-ljevovima javlja u lamelarnom (listićavom) obliku, kuglastom obliku, čvorastom ili crvičastom obliku. U uvjetima vlačnog opterećenja najnepovoljniji je listićav oblik jer uzrokuje velika naprezanja prilikom djelovanja vlačnih sila (sivi lijev).

Question 50

Navedite oblike grafita kod pojedinih vrsta ljevova. Koji je najpovoljniji u uvjetima dinamičkog opterećenja?

Answer 50

Sivi lijev ima listićav grafit, nodularni lijev sadrži kuglast grafit, a temper lijev čvorast grafit. U uvjetima dinamičkog opterećenja najpovoljniji je nodularni lijev jer ima visoku dinamičku izdržljivost i povišenu žilavost nakon izotermičkog poboljšavanja.

Question 51

Koja su posebna svojstva Fe-ljevova koji sadrže grafitnu fazu?

Answer 51

Fe-ljevovi koji sadrže grafit imaju visoku sposobnost prigušenja vibracija, dobra klizna svojstva, dobru tlačnu čvrstoću, dobru obradljivost odvajanjem čestica, nisko talište, dobru livljivost, mogućnost lijevanja složenih oblika male mase i dimenzija te bolju korozijsku postojanost nego u nelegiranih čelika.

Question 52

Po čemu se razlikuju čelik i čelični lijev?

Answer 52

Čelici su završno oblikovani deformiranjem, dobivaju se gnječeni poluproizvodi (šipke, limovi, cijevi, profili), a ljevovi su završno oblikovani ulijevanjem u kalup te se dobivaju odljevci. Za ljevove se troši manje od 10% ukupno proizvedene količine sirovog željeza.

Question 53

Navedite strukturne konstituente nelegiralnog čeličnog lijeva. Koje razlike u njihovim svojstvima proizlaze iz tih struktura?

Answer 53

Nelegirani čelični ljevovi sadrže manje od 0,5%C i kristaliziraju metastabilno, nakon lijevanja imaju grubu F-P mikrostrukturu te nisku istezljivost i žilavost. Legirani čelici sadrže veći udio ugljika (< ili = 2%C), povišena im je žilavost i vlačna čvrstoća, mehanička otpornost pri povišenim temperaturama, otpornost na opću koroziju te vatrootpornost.

Question 54

Koji se osnovni postupak toplinske obrade mora provesti kod mehanički opterećenih odljevaka čeličnog lijeva i zašto? T-t dijagram tog postupka.

Answer 54

Kod čeličnog lijeva provodi se postupak normalizacije - usitnjavanje lijevane mikrostrukture i ujednačavanje veličine zrna što dovodi do poboljšanja istezljivosti i žilavosti. Odljevak prije normalizacije ima grubu ljevačku (Widmannstättenovu) strukturu niske istezljivosti i žilavosti.

Question 55

Opiši svojstva i mikrostrukturu bijelog tvrdog lijeva.

Answer 55

Bijeli tvrdi lijev sadrži povišen %Mn (3-4%) koji je cementator i pospješuje stvaranje Fe3C, odnosno sprječava stvaranje grafita → Si (grafitizator) je ograničen (<0,6%). Sadrži 2,5-3,5%C. Može kristalizirati potpuno metastabilno (P+ Fe3C''+ Fe3Cᵉ) ili mješovito - površinski slojevi kristaliziraju metastabilno, a sredina stabilno ili mješovito - tzv. tvrdokorni lijev. Bijeli tvrdi lijev tvrd je i krhak, ima malu (istezljivost i žilavost), osjetljiv je na udarna opterećenja, ima vrlo veliku otpornost na pritiske i abrazijsko trošenje, teško je obradljiv odvajanjem čestica te naginje stvaranju šupljina i zaostalih naprezanja pri lijevanju.

Question 56

Koje je osnovno povoljno svojstvo bijelog tvrdog lijeva u primjeni i zašto?

Answer 56

Zbog visoke krhkosti i osjetljivosti, bijeli tvrdi lijev nema široko područje primjene. Koristi se kao sirovina u proizvodnju čelika i temper ljevova. Zbog svoje visoke otpornosti na abrazijsko trošenje, primjenjuje se u izradi odljevaka jednostavnijeg oblika otpornih na abraziju.

Question 57

Razlika između bijelog i čeličnog lijeva i njihove mikrostrukture.

Answer 57

Za razliku od bijelog tvrdog lijeva, čelični lijev ima dobru žilavost i otpornost pri udarnim opterećenjima. Bijeli tvrdi lijev ima veći udio ugljika od čeličnog lijeva i P+Fe3C''+ Fe3Cᵉ mikrostrukturu dok čelični lijev ima feritno-perlitnu mikrostrukturu zbog podeutektoidnog sastava (kod nelegiranog čeličnog lijeva <0,5%C).

Question 58

Navedite moguće faze u mikrostrukturi sivog lijeva. Koja struktura odgovara potpuno stabilnoj kristalizaciji, a koja se može površinski zakaliti?

Answer 58

Sivi lijev ima visok udio ugljika (3,5-4,5%C) te mješovitu kristalizaciju. Mikrostruktura je dvojna i sastoji se od grafita u listićima te željezne osnove koja može biti feritna (→potpuno stabilna kristalizacija!), feritno-perlitna ili perlitna te se u strukturi može pojaviti i slobodni cementit. Primarna i prvi dio sekundarne kristalizacije kristaliziraju stabilno, a drugi dio sekundarne kristalizacije metastabilno. Mješovita kristalizacija sivog lijeva prikazana je na grafu. Na T1 počinje metastabilna kristalizacija duž Acm te se daljnjim hlađenjem iz austenita pretežno izlučuje sekundarni cementit. Površinski se može zakaliti perlitna mikrostruktura.

Question 59

Što su elementi cementatori, a što grafitizatori?

Answer 59

Cementatori su elementi koji pospješuju pojavu ugljika u karbidima (Mn, S), a grafitizatori pospješuju stvaranje grafita (Si, P).

Question 60

Što je stupanj zasićenja kod sivog lijeva? Što se odnosi na njegov iznos?

Answer 60

Stupanj zasićenja kod sivog lijeva omjer je %C kroz %Cᵉ (eutektički). Za Sz<1 radi se o podeutektičkim vrstama sivog lijeva, za eutektičke vrste Sz=1, a za nadeutektički sastav Sz>1.

Question 61

Skicirajte dijagram naprezanje-istezanje za sivi lijev i opći konstrukcijski čelik za nosive konstrukcije.

Answer 61

skica

Question 62

O čemu ovisi vrijednost vlačne čvrstoće odljevaka od sivog lijeva?

Answer 62

Vlačna čvrstoća sivog lijeva ovisi o stupnju zasićenja: Rm=1045-785*Sz-2,5*d

Question 63

Skicirajte faze u mikrostrukturi potpuno stabilno kristaliziranog sivog lijeva.

Answer 63

Feritna struktura s listićavim grafitom.

Question 64

Opišite strukturu žilavog lijeva.

Answer 64

Žilavi (nodularni) lijev sadrži povišen %C i %Si te smanjen %Mn, a taljevina se obrađuje globulatorima - elementima koji pomažu izlučivanje grafita u obliku kuglica. Mikrostruktura željezne osnove može biti potpuno feritna, feritno-perlitna, perlitna ili austenitna.

Question 65

Navedite razlike između feritnog i perlitnog žilavog lijeva. Kod kojih od njih prevladava stabilna kristalizacija?

Answer 65

Feritna se struktura nalazi kod ljevova niže čvrstoće, ali više istezljivosti, dok je perlitna struktura kod ljevova više čvrstoće, a niže istezljivosti. Stabilna kristalizacija prevladava kod feritnih ljevova.

Question 66

Objasnite razlike u svojstvima i strukturi sivog i žilavog (nodularnog) lijeva.

Answer 66

Nodularni lijev ima bolja mehanička svojstva od sivog lijeva - visoka dinamička izdržljivost Rd, posebno u poboljšanom stanju kao i vlačna čvrstoća Rm. Izotermičkim se poboljšavanjem nodularnog lijeva dobiva i povišena žilavost. Sivi lijev ima nisku vlačnu čvrstoću, no visoku tlačnu; nisku istezljivost i žilavost. Proizvodnja sivog lijeva jednostavnija je i jeftinija od proizvodnje nodularnog lijeva. Grafit se u nodularnom lijevu nalazi u kuglastom obliku, dok je u sivom lijevu u listićavom (lamelarnom) obliku.

Question 67

Što je decementacijsko žarenje i koje se vrste Fe-ljevova time dobivaju?

Answer 67

Decementacijsko žarenje koristi se za dobivanje temper lijeva kako bi se od polazne sirovine, bijelog tvrdog lijeva, postigla prikladna uporabna svojstva - tvrdoća i krhkost bijelog tvrdog lijeva → niža tvrdoća, viša žilavost i istezljivost te bolja obradljivost temper lijeva. Ovisno o atmosferi u kojoj se provodi decementacijsko žarenje, moguće je dobiti crni temper lijev (žarenjem u neutralnoj atmosferi) i bijeli temper lijev (žarenjem u oksidacijskoj atmosferi). Crni temper lijev može biti feritni ili perlitni ovisno o brzini prijelaza područja pretvorbe (F - sporiji prijelaz, sekundarna grafitizacija; P - brži prijelaz, A prelazi u P).

Question 68

Navedite podjelu bakrenih legura prema kemijskom sastavu.

Answer 68

Prema kemijskom sastavu, bakrene legure dijelimo na mjedi - legure bakra s cinkom, te legure bakra bez cinka - većinom bronce.

Question 69

Navedite vrste mjedi prema mikrostrukturi. Što utječe na njihovu bolju ili lošiju hladnu deformabilnost?

Answer 69

Prema mikrostrukturi, mjedi dijelimo na -mjedi, (+β)-mjedi i β-mjedi. Svojstva ovise o %Zn odnosno o mikrostrukturi; u -mjedima javlja se kristal mješanac te su one dobro oblikovljive na hladno, u (+β)-mjedima javlja se β - intermetalni spoj CuZn te su one čvršće i češće toplo oblikovane, dok se β-mjedi ne koriste zbog krhkosti.

Question 70

Navedite razlike u sastavu, strukturi i tehnološkim svojstvima između monofaznih i dvofaznih kositrenih bronci.

Answer 70

Kositrene bronce s <9%Sn imaju α-strukturu (kristal mješanac) te su hladno oblikovljive. Kositrene bronce s 9-15%Sn imaju (α+δ)-strukturu te vrlo dobru otpornost na trošenje (δ - intermetalni spoj, tvrda I krhka faza).

Question 71

Od kojih se kristala sastoji Cu-Sn legura za gnječenje, a od kojih kristala se sastoji Cu-Sn legura za lijevanje?

Answer 71

Cu-Sn legura za gnječenje sastoji se od α - kristala mješanaca, a legura za lijevanje ima (α+δ)-strukturu, odnosno sastoji se od kristala mješanaca α i intermetalnog spoja δ.

Question 72

Koje vrste kristala čine strukturu dvofazne kositrene bronce i može li takva legura toplinskom obradom očvrsnuti?

Answer 72

Dvofazne kositrene bronce imaju (α+δ)-strukturu te mogu očvrsnuti toplinskom obradom zbog prisustva intermetalnog spoja δ.

Question 73

Kakve su moguće mikrostrukture aluminijevih bronci? Koje su moguće i kako toplinskom obradom očvrsnuti?

Answer 73

Aluminijeve bronce mogu imati jednofaznu strukturu - α (4- 8%Al) ili dvofaznu (α+₂)- strukturu (9,5%Al), ₂ - Cu9Al2. Toplinskom obradom mogu očvrsnuti Al-bronce s dvofaznom mikrostrukturom - očvršćuju kaljenjem ili kaljenjem i popuštanjem (slično kaljenju čelika). Očvršćuju se legure s 9- 11,5%Al, legure s manjim udjelom aluminija ne sadrže dovoljno visokotemperaturne β faze da bi se moglo provesti kaljenje.

Question 74

Koje su razlike u svojstvima između α i α+β aluminijskih bronci? Od kojih se vrsta kristala sastoji α faza, a od kojih β faza?

Answer 74

α aluminijske bronce imaju dobru hladnu oblikovljivost i žilavost.

Question 75

Od kojih se kristala sastoji Cu-Ni legura za gnječenje i koje je dobro tehnološko svojstvo posljedica takve strukture?

Answer 75

Cu-Ni legure mogu se dobro oblikovati na hladno i na toplo te su zbog nikla otporne koroziji u svim vodenim otopinama, ponajprije u morskoj vodi.

Question 76

Što su superlegure i koja su im osnovna svojstva?

Answer 76

Superlegure su legure na bazi Ni, odnosno Co, uz visok udio Cr te manji udio Mo, W, Ti i Al. Otporne su na koroziju te imaju vrlo dobra svojstva pri visokim temperaturama (temperatura primjene im je do 1000-1400˚C).

Question 77

Koja legura ima najbolju mehaničku otpornost pri visokim temperaturama i zašto?

Answer 77

Najbolji mehaničku otpornost pri visokim temperaturama imaju superlegure. Nikal je otporan pri visokim temperaturama zbog visoke otpornosti na puzanje (zadržava čvrstoću na visokim temp.) jer se puzanje javlja tek na 70% temperature tališta (kod drugih metala na oko 30%!).

Question 78

Što je u strukturi Ni-superlegura odgovorno za dobru čvrstoću pri visokim temperaturama?

Answer 78

Otpornost puzanju (objašnjeno u 10. zadatku).

Question 79

Zbog kakve strukture Ni-superlegure imaju dobru mehaničku otpornost pri visokim temperaturama?

Answer 79

nema odgovora

Question 80

Na koji se način povisuje mehanička otpornost Ni-superlegura?

Answer 80

Mehanička otpornost superlegura povisuje se mehanizmima očvrsnuća: očvrsnuće kristalima mješancima (najjače djeluje Co ako ga je >16%) i očvrsnuće precipitacijom koju pospješuju Cr (stvaranjem Cr-karbida); Mo, Nb, Ta i V stvaranjem njihovih karbida te Al i Ti stvaranjem intermetalnih spojeva.

Question 81

Na koji način mogu očvrsnuti čisti aluminij ili bakar?

Answer 81

Čisti aluminij ili mogu očvrsnuti samo hladnom deformacijom (valjanjem). Mogu se legirati no tada više ne govorimo o čistom aluminiju ili bakru.

Question 82

Kako dijelimo gnječene Al-legure? Na koji se način može očvrsnuti Al-Mg legura?

Answer 82

Gnječene aluminijeve legure dijelimo na toplinski očvrstljive i toplinski neočvrstljive. Toplinski neočvrstljive gnječene Al-legure imaju vlačnu čvrstoću iznosa Rm=200…300 N/mm². Mogu očvrsnuti hladnom deformacijom. Legirni elementi toplinski neočvrstljivih Al-legura su Mn i Mg. Takve legure imaju homogenu strukturu - sastoje se samo od kristala mješanaca te imaju visoku duktilnost i dobru korozijsku postojanost.

Question 83

Opišite postupak precipitacije. Može li tako očvrsnuti legura Al-Si?

Answer 83

Legura s X%B prikazana u dijagramu na sobnoj je temperaturi bifazna - mikrostruktura od  kristala mješanaca Al i β kristala intermetalnog spoja. Leguru zagrijavamo do Tž te prelazimo liniju topivosti legirnog elementa B u aluminiju. Nakon toga u mikrostrukturi imamo samo  fazu → provodi se homogenizacija. Sporim se hlađenjem legura vraća u početno stanje, stoga leguru brzo hladimo jer nastojimo spriječiti difuziju i nastanak β faze, dakle na sobnoj temperaturi sada imamo monofaznu mikrostrukturu prezasićenu s B. Leguru ostavimo dulje vrijeme na sobnoj temperaturi (ili nešto kraće na povišenoj) pa će se izlučiti β faza no ne po granicama zrna već ravnomjerno po cijelom volumenu u obliku sitnih nakupina (precipitata). Taj se dio postupka očvršćivanja zove prirodno (odnosno umjetno) dozrijevanje te se postiže viša čvrstoća i tvrdoća metala. Legura Al-Si ne može očvrsnuti na taj način jer u mikrostrukturi nema intermetalnog spoja, a bez intermetalnog spoja nema ni precipitacije.

Question 84

Može li se toplinski (precipitacijski) očvrsnuti monofazna Al-Mn legura? Opišite način očvršćivanja.

Answer 84

Al-Mn legura ne može toplinski očvrsnuti, već samo hladnom deformacijom (valjanjem) jer se sastoji samo od kristala mješanaca.

Question 85

Koji su uvjeti precipitacijskog očvršćivanja aluminijskih legura? Skica dijagrama stanja.

Answer 85

Polazni uvjeti precipitacijskog očvršćivanja su sljedeći: legura mora biti sastava iz heterogenog područja α+β; druga faza β mora polazno biti neki intermetalni spoj te maseni udio legirnog elementa mora biti što viši, što bliže maksimalnoj rastvorljivosti u α-mješancu (mora biti između rs i rmax)

Question 86

Skicirajte dijagram postupka toplinskog očvršćivanja Al-legura i naznačite u kojoj fazi postupka legura ima najveću istezljivost, a u kojoj najveću tvrdoću.

Answer 86

Dijagram postupka iz 16. zadatka - istezljivost je najveća u fazi označenoj brojem 2 (jer više nema krhke faze β), a čvrstoća je najveća na kraju postupka u fazi označenoj brojem 4 (zbog izlučenih precipitata).

Question 87

Navedite vrste aluminijskih legura za lijevanje prema kemijskom sastavu. Koje su najbolje livljive i zašto?

Answer 87

Prema kemijskom sastavu aluminijske legure za lijevanje dijelimo na Al-Mg legure, Al-Si-Mg legure, Al-Si legure, Al-Si-Cu legure i Al-Cu legure. Najbolje svojstvo livljivosti imaju legure legirane silicijem (Al-Si legure - silumini) jer silicij poboljšava livljivost.

Question 88

Koje su moguće kristalne strukture titana i kako se prema mikrostrukturi dijele Ti-legure?

Answer 88

Titan ima 2 alotropske modifikacije: α-titan s HCP kristalnom rešetkom (na temperaturama 20-885˚C) i β-titan s BCC kristalnom rešetkom (885-1670˚C). Prema mikrostrukturi, titanove legure dijelimo na α, β i (α+β)-legure.

Question 89

Navedite neka istaknuta svojstva titana i titanovih legura.

Answer 89

Povoljna su svojstva titana relativno niska gustoća, visok E, otpornost na umor i puzanje, visoka postojanost u različitim agresivnim medijima, a nepovoljna su svojstva velik afinitet prema O2, C, N2 i H2, teško obradiv odvajanjem čestica, ograničena sposobnost hladnog oblikovanja, teže zavarljiv te relativno visoka cijena. α-legure su slabo hladno oblikovljive zbog HCP rešetke, zavarljive, žilave, čvrste pri povišenim temp., imaju dobru žilavost i čvrstoću pri sniženim temp te su neočvrstljive toplinskom obradom. β-legure su očvrstljive hladnom deformacijom i toplinskom obradom, imaju visok omjer čvrstoća/gustoća, postižu najviše vrijednosti čvrstoće (toplinskom obradom) i krhke su pri niskim temp. (α+β)-legure imaju visoku čvrstoću nakon toplinske obrade (TiAl6V4 - povišena otpornost na puzanje i dobra zavarljivost, rezljivost).

Question 90

Navedite bitna svojstva magnezijevih legura.

Answer 90

Povoljna su svojstva magnezijevih legura mala masa, velika sposobnost prigušenja vibracija, izvanredna rezljivost te vrlo dobra livljivost nekih legura. Nepovoljna svojstva magnezijevih legura su sljedeća: niska otpornost na koroziju, velik afinitet prema kisiku (potrebna površinska zaštita), HCP rešetka - ograničena mogućnost hladne deformacije, nizak E i niska čvrstoća, gornja temp. granica uporabe je 300- 350˚C i velika kemijska reaktivnost (mogućnost samozapaljenja pri obradi).

Question 91

Navedite podjelu i glavne predstavnike tehničke keramike.

Answer 91

Tehničku keramiku dijelimo prema veličini zrna na grubu (0,1-0,2 mm) i finu (<0,1 mm) keramiku; prema namjeni na visokokvalitetnu, konstrukcijsku, industrijsku, funkcionalnu, elektrokeramiku, reznu keramiku i biokeramiku te prema kemijskom sastavu na silikatnu, oksidnu i neoksidnu keramiku. Glavni keramički materijali u tehnici su: porculan, steatit, kordeit i mulit - silikatna keramika; Al2O3, MgO, ZrO2, aluminijev titanat - oksidna keramika; silicijev karbid (SiC), silicijev nitrit (Si3N4), aluminijev nitrid (AlN), borov karbid - neoksidna keramika.

Question 92

Navedite neka najvažnija svojstva tehničke keramike i vrstu koja je najzastupljenija u primjeni.

Answer 92

Tehnička keramika ima veliku tlačnu čvrstoću a malu vlačnu zbog sitnih pora u kojima se javlja koncentracija naprezanja, visok modul elastičnosti i tvrdoću, nisku žilavost i visoku krhkost. Najzastupljenija je vrsta aluminijev oksid (Al2O3).

Question 93

Koja su istaknuta svojstva konstrukcijske keramike u odnosu prema metalima?

Answer 93

U usporedbi s metalima, keramika ima tendenciju rasta tvrdoće, visokotemperaturne čvrstoće, otpornosti koroziji i otpornosti na trošenje. Ima nižu žilavost i toplinsko naprezanje od metala.

Question 94

Opišite postupke pri proizvodnji keramičkih dijelova. Što je to sinteriranje?

Answer 94

Pripremanje mase (mljevenje, miješanje, granuliranje) → oblikovanje (prešanje, ekstrudiranje, lijevanje) → obrada sirovca (glodanje, tokarenje, bušenje, piljenje) → sinteriranje (pečenje) → završna obrada (brušenje, poliranje, obrada laserom) Sinteriranje (srašćivanje) je spajanje čestica praha reakcijama u čvrstom stanju zbog velike površinske energije pri čemu prevladava proces difuzije. Rezultat sinteriranja maksimalna je moguća gustoća (minimalna poroznost). Odvija se pri temp 1050- 2200˚C, pod prikladnom atmosferom ili pod tlakom. Proces sinteriranja: pregrupiranje čestica i stvaranje kontakata → rast kontakata i formiranje granica zrna → rast zrna i zatvaranje pora.

Question 95

Što je sakupljanje (stezanje) izratka i kojoj fazi nastupa?

Answer 95

Skupljanje je smanjenje volumena izratka u čvrstom stanju, nastupa prilikom sinteriranja zbog smanjenja poroznosti.

Question 96

Opišite mikrostrukturu tvrdog metala i svojstva koja iz njih proizlaze.

Answer 96

Mikrostruktura tvrdog metala sastoji se od metalne osnove - Co i karbida WC, TiC, TaC. Od metalne osnove potječu metalna svojstva: visoka toplinska i električna vodljivost.

Question 97

Što su to tvrdi metali, kako se i na osnovi čega razvrstavaju? Zbog koje faze imaju visoku otpornost trošenju?

Answer 97

Tvrdi je metal metalno-karbidni kompozit. Razvrstavaju se na osnovi vrste ojačala, odnosno karbida (volframov karbid, titanijev karbid, tantalov karbid, titanijev nitrid). Visoku otpornost trošenju omogućavaju karbidi.