ΕΛΑΤΟΣ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΟΣ ΦΕΡΡΙΤΟΠΕΡΛΙΤΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ: ΜΙΚΡΟΔΟΜΕΣ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΡΜΗΝΕΙΑΤΟΥΣ

Transcript

1 ΕΛΑΤΟΣ ΧΥΤΟΣΙΔΗΡΟΣ ΦΕΡΡΙΤΟΠΕΡΛΙΤΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ: ΜΙΚΡΟΔΟΜΕΣ ΣΥΓΚΟΛΛΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΡΜΗΝΕΙΑΤΟΥΣ ΚΕΤΕΝ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ Επιβλέπον μέλος ΔΕΠ: Γεώργιος Κ. Τριανταφυλλίδης, Λέκτορας Οκτώβριος, 2015

2

3 APΙΣΤΟTEΛEΙΟ ΠAΝEΠΙΣΤHMΙΟ ΘEΣΣAΛΟΝΙKHΣ ΠΟΛYTEXNIKΗ ΣΧΟΛΗ TMΗMΑ XΗMIKΩN MHXANΙKΩΝ ΔΙΠΛΩMATΙKΗ EPΓAΣIA TΟY ΚΕΤΕΝ ΔΗΜΗΤΡΙΟΥ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: ΤΡΙΑΝΤΑΦΥΛΛΙΔΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ (ΛΕΚΤΟΡΑΣ) ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2015

4 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρακάτω διπλωματική εργασία χρησιμοποιεί ως αντικείμενο μελέτης τον ελατό χυτοσίδηρο φερριτοπερλιτικής μήτρας. Στόχος της είναι η σύγκριση των τιμών μικροσκληρότητας των μικροδομών που προέκυψαν κατόπιν θερμικών κατεργασιών, με αυτές του ίδιου υλικού που προέκυψαν από συγκολλήσεις τόξου χωρίς προθέρμανση αλλά με διαφορετική ένταση ρεύματος. Η μικροσκληρότητα είναι μία ιδιότητα των μετάλλων που μελετήθηκε εκτενώς και είναι απαραίτητη για την κατανόηση των φαινομένων στη ΖΕΘ και τη λήψη των επιθυμητών αποτελεσμάτων. Για την εκπόνηση της διπλωματικής χρησιμοποιήθηκε ο απαιτούμενος εξοπλισμός του Εργαστηρίου Τεχνολογίας των Υλικών του Τμήματος Χημικών Μηχανικών του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά για τον χρόνο που αφιέρωσαν και για την πολύτιμη βοήθεια που παρείχαν για να έλθει εις πέρας η παρακάτω διπλωματική εργασία: τον επίκουρο καθηγητή κ. Γεώργιο Κ. Τριανταφυλλίδη για την ανάθεση του θέματος και την επίβλεψή του σε όλες τις φάσεις εκπόνησης της εργασίας. τον καθηγητή κ. Βασίλειο Ζασπάλη για την παραχώρηση των υποδομών του εργαστηρίου τεχνολογίας των υλικών. τον κ. Παναγιώτη Κολιώτσα, μέλος ΕΤΕΠ για την ενεργό του συμμετοχή στην προετοιμασία των δοκιμίων. την εταιρεία Χυτήρια Μακεδονίας ΑΒΕΕ καθώς και το διπλωματούχο Μεταλλουργό Μηχανικό M.Sc. κ. Δημήτριο Ρεπάνη για τη χύτευση των δειγμάτων. τους διπλωματούχους Χημικούς Μηχανικούς κ. Χρήστο Τσιομπάνη και κ. Διονύση Κολιούλη για τις υποδείξεις τους στην επεξεργασία των δεδομένων.

5 SUMMARY In this study we performed thermal treatments in ductile iron samples and spot arc welding seams in this material with different welding currents. Ductile Irons is a broad family of iron based casting alloys. Τhe specific ductile iron that has been used is of ferritic pearlitic matrix. The quality of a weld is fully dependent on the microhardness profile of the material around the seam and in a direction perpendicularly to it. In electrode arc welding five main zones are present around the seam (from the deposited metal to the unaffected base metal) after solidification of the deposited metal. Τhe zone that we will pay attention and deal with is the heat affected zone (HAZ). HAZ is the part of the base metal that has undergone microstructural changes due to the welding heat. We evaluated the quality of the seams by measuring their HAZs width by taking into consideration data from thermal treatments of the as-cast material. Because of the high complexity of this matrix and the results of the microhardness, the HAZs width could not be measured with accuracy. In order to succeed that, many more measurements at different heating time conditions of the as-cast specimens have to be done for better evaluation of the HAZ s width.

6 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ 1. Εισαγωγή Θεωρητικό μέρος Βασική θεωρία μετάλλων Κρυσταλλικά στερεά σώματα Μέταλλα και κράματα Διαγράμματα φάσεων και μικροδομές Χυτοσίδηροι Βασικά χαρακτηριστικά χυτοσιδήρων Κατηγορίες χυτοσιδήρων Ελατός χυτοσίδηρος Ιδιότητες και χρήσεις ελατού χυτοσιδήρου Τεχνικές επεξεργασίας ελατού χυτοσιδήρου Θερμικές κατεργασίες Ανόπτηση Εξομάλυνση Ωστενιτοποίηση Βαφή και επαναφορά Προετοιμασία των απαιτούμενων δειγμάτων Λήψη Εκχόνδριση Εγκιβωτισμός Μηχανική λείανση

7 Χημική προσβολή Σκληρομέτρηση των δοκιμίων Συγκόλληση των μετάλλων Συγκόλληση τόξου με επενδυμένο ηλεκτρόδιο (SMAW) Η ζώνη επηρεασμού θερμότητας Μελέτη δομής μεταλλικών υλικών-οπτική μεταλλογραφία Οπτική μικροσκοπία Το οπτικό-μεταλλογραφικό μικροσκόπιο Πειραματικό μέρος Πειραματική διαδικασία Θερμική κατεργασία Συγκόλληση δοκιμίων με χρήση της μεθόδου (SMAW) Προετοιμασία δοκιμίων για μεταλλογραφικό έλεγχο Μεταλλογραφικός έλεγχος Μικροσκληρομέτρηση Vickers Αποτελέσματα Μετρήσεις θερμικών κατεργασιών Ψύξη εντός του φούρνου Ψύξη εκτός του φούρνου Φωτογραφική απεικόνιση δοκιμίων..., Μετρήσεις συγκόλλησης Συγκόλληση στα 90 Α Συγκόλληση στα 100 Α

8 Συγκόλληση στα 110 Α Συγκόλληση στα 120 Α Συγκόλληση στα 130 Α Συγκόλληση στα 140 Α Συμπεράσματα - σχόλια Δοκίμια θερμικών κατεργασιών Δοκίμια συγκόλλησης Παράρτημα Βιβλιογραφία

9 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σκοπός της διπλωματικής εργασίας είναι η σύγκριση των μικροδομών ελατού χυτοσιδήρου φεριτοπερλιτικής μικροδομής που προέκυψαν από θερμικές κατεργασίες, με μικροδομές του ίδιου υλικού που προέκυψαν από συγκολλήσεις τόξου σε διαφορετικές εντάσεις ρεύματος. Οι φεριτοπερλιτικοί χυτοσίδηροι αποτελούν μία οικογένεια χυτοσιδήρων μεγάλου τεχνικού ενδιαφέροντος η οποία χρησιμοποιείται εκτενώς από τη βιομηχανία. Στα πλαίσια της διπλωματικής εργασίας έγινε αξιολόγηση της ποιότητας των συγκολλήσεων με την μέτρηση του πλάτους της ζώνης τους επηρεασμού θερμότητας τους (Ζ.Ε.Θ.).

10 2. ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ 2.1. Βασική θεωρία μετάλλων Κρυσταλλικά στερεά σώματα Τα στερεά σώματα διακρίνονται σε κρυσταλλικά και άμορφα. Στα κρυσταλλικά στερεά οι δομικές μονάδες (μόρια, άτομα ή ιόντα) που το αποτελούν κατέχουν στον χώρο συγκεκριμένες θέσεις και σχηματίζουν κανονικά γεωμετρικά σχήματα (στοιχειώδης κρύσταλλος), που επαναλαμβανόμενα αποτελούν ένα κρύσταλλο του στερεού. Ανάλογα με το γεωμετρικό σχήμα του στοιχειώδους κρυστάλλου που σχηματίζουν, τα κρυσταλλικά στερεά κατατάσσονται σε ένα από τα επτά κρυσταλλικά συστήματα: κυβικό, τετραγωνικό, ορθορομβικό, ρομβοεδρικό, μονοκλινές, τρικλινές και εξαγωνικό. Υπάρχουν δεκατέσσερις τύποι κρυσταλλικών πλεγμάτων, αλλά τα περισσότερα μέταλλα κρυσταλλώνονται σε τρία απλά και μεγάλης συμμετρίας κρυσταλλικά πλέγματα: Χωροκεντρωμένο κυβικό σύστημα (τα άτομα τοποθετούνται στις 8 κορυφές του κύβου και ένα στο κέντρο του κύβου) (π.χ. Fe, Cr, Mo, Ka, Na). Εδρoκεντρωμένο κυβικό σύστημα (τα άτομα τοποθετούνται στις 8 κορυφές του κύβου και στα κέντρα των 6 εδρών) (π.χ. Al, Cu, Au, Ag, Pt, Mo, Ni). Μέγιστης πυκνότητας εξαγωνικό σύστημα (τα άτομα τοποθετούνται στις κορυφές και τα κέντρα των εξαγώνων και στο επίπεδο του μέσου του πρίσματος στις 3 πλευρές εναλλάξ) (π.χ. Zn, Cd, Mg, Co, Ti). Εικόνα1:α)χωροκεντρωμένο κυβικό,β)εδροκεντρωμένο κυβικό,γ)υψηλής πυκνότητας εξαγωνικό.

11 Ένα καθαρό μέταλλο μεταβαίνοντας από την υγρή κατάσταση (τήγμα) στη στερεή κρυσταλλώνεται, αποκτά δηλαδή την κρυσταλλική του δομή. Όταν το τήγμα ψυχόμενο αποκτήσει ορισμένη θερμοκρασία, χαρακτηριστική για κάθε καθαρό μέταλλο (σημείο τήξης ή πήξης), τότε αρχίζει η στερεοποίησή του. Αρχικά, σχηματίζονται στη μάζα του τήγματος μικροσκοπικοί κρύσταλλοι, σε τυχαίες θέσεις, που ονομάζονται πυρήνες ή κέντρα κρυστάλλωσης. Στις θέσεις όπου έχουν δημιουργηθεί πυρήνες, αρχίζει ο σχηματισμός κρυσταλλικής δομής με προσθήκη ατόμων, σε θέσεις που καθορίζονται από το είδος του κρυσταλλικού πλέγματος του συγκεκριμένου μετάλλου. Όσο διαρκεί η στερεοποίηση, στους πυρήνες προστίθενται και άλλα άτομα, αρχίζουν να σχηματίζονται κρύσταλλοι, ενώ σε άλλες νέες τυχαίες θέσεις δημιουργούνται νέοι πυρήνες. Ο αριθμός των νέων πυρήνων περιορίζεται, καθώς η ψύξη συνεχίζεται. Οι κρύσταλλοι αυτοί έχουν τη μορφή δενδριτών, δηλαδή κρυσταλλικών σκελετών με διακλαδώσεις. Τα κλαδιά των δενδριτών συνεχίζουν να αναπτύσσονται, μέχρι όλος ο χώρος να καταληφθεί από στερεοποιημένο μέταλλο. Οι εξωτερικοί κλάδοι των δενδριτών, κατά την ανάπτυξή τους, εφάπτονται με κλάδους άλλων γειτονικών δενδριτών, που προέρχονται από άλλους πυρήνες. Έτσι στις θέσεις επαφής διαφορετικών δενδριτών είναι αδύνατη η περαιτέρω ανάπτυξη. Όταν συμπληρωθεί η στερεοποίηση, το μέταλλο αποτελείται από κόκκους ή κρυσταλλίτες. Το μέταλλο δηλαδή δεν απαρτίζεται από συνεχές κρυσταλλικό πλέγμα (μονοκρύσταλλος), αλλά από πολλούς κρυσταλλίτες, με ιδιαίτερο προσανατολισμό ο καθένας. Οι επιφάνειες επαφής των δενδριτών αποτελούν τα όρια των κόκκων. Τα όρια των κόκκων είναι ζώνες ατόμων υψηλότερης ενέργειας σε σχέση με τα άτομα των γειτονικών κόκκων. Εξαιτίας αυτού, η τήξη των καθαρών μετάλλων ξεκινά από τα όρια των κόκκων, τα οποία έχουν χαμηλότερο σημείο τήξης από τον κύριο κρύσταλλο κατά 15 C. Επιπλέον, οι διάφορες προσμίξεις που περιέχουν τα μέταλλα καταλαμβάνουν τα όρια των κόκκων, γιατί έχουν την τάση να παραμένουν με το μέταλλο που στερεοποιείται τελευταίο. Ένας μονοκρύσταλλος είναι, γενικά, ανισότροπος. Αντίθετα, ένα πολυκρυσταλλικό μέταλλο είναι, γενικά, ισότροπο, δεδομένου ότι οι κόκκοι έχουν διάφορους προσανατολισμούς και οι ιδιότητες, μετρούμενες σε ένα μεγάλο αριθμό κόκκων, παρουσιάζουν τη μέση τιμή του συνόλου. Η ταχύτητα ψύξης του τήγματος επηρεάζει τη μικροκρυσταλλική δομή. Απότομη ψύξη συνεπάγεται τη δημιουργία πολλών πυρήνων και οδηγεί σε λεπτόκοκκο στερεό. Αντίθετα αργή ψύξη οδηγεί σε χοντρόκοκκο στερεό.

12 Μέταλλα και κράματα Τα μέταλλα παράγονται, κυρίως, από τις διάφορες ενώσεις τους, οι οποίες βρίσκονται στη φύση με τη μορφή μεταλλευμάτων. Τα διάφορα μεταλλεύματα υποβάλλονται σε φρύξη μέσα σε ειδικές εγκαταστάσεις και ύστερα από κατάλληλη διεργασία λαμβάνονται τα αντίστοιχα καθαρά μέταλλα. Κράμα (alloy) ονομάζεται κάθε μεταλλικό σώμα που προέρχεται από την ανάμιξη δύο ή περισσότερων χημικών στοιχείων, από τα οποία το ένα τουλάχιστον είναι μέταλλο, ενώ το άλλο μπορεί να είναι επίσης μέταλλο (που είναι και η πιο συνηθισμένη περίπτωση), ή αμέταλλο (όπως π.χ. C, N2). Το πλέον σύνηθες κράμα αυτής της περίπτωσης είναι το κράμα Fe με C. Εάν ο C βρίσκεται σε αναλογία 0,01 2%, το κράμα Fe/C ονομάζεται χάλυβας. Εάν ο C βρίσκεται σε αναλογία 2,5 4%, το κράμα Fe/C ονομάζεται χυτοσίδηρος. Τα κράματα δύο συστατικών ονομάζονται διμερή κράματα. Τα κράματα έχουν ιδιότητες σε μικρό ή μεγάλο βαθμό, διαφορετικές από εκείνες των συστατικών τους (π.χ. μηχανική αντοχή, σκληρότητα, αντοχή στη διάβρωση). Ο όρος φάση αναφέρεται σε μια ομογενή περιοχή της ύλης, όπου τόσο η χημική σύσταση, όσο και η κρυσταλλική δομή, κατά συνέπεια και οι ιδιότητες, διατηρούνται ίδιες σε όλη της την έκταση. Αποτελεί τμήμα ενός συστήματος και διαχωρίζεται από τα υπόλοιπα τμήματα του συστήματος από μια επιφάνεια. Στη συνήθη θερμοκρασία τα διάφορα κράματα αποτελούνται από μία ή περισσότερες φάσεις που ο αριθμός τους εξαρτάται κυρίως από τη σύσταση του κάθε κράματος. Η φύση και η κρυσταλλική δομή των στερεών φάσεων των κραμάτων μελετούνται με εξειδικευμένες φυσικοχημικές μεθόδους, οι σπουδαιότερες από τις οποίες είναι η θερμική ανάλυση, η μικροσκοπική ανάλυση και η ακτινανάλυση (ακτίνες Χ).

13 Διαγράμματα φάσεων και μικροδομές Ο σχεδιασμός και έλεγχος των θερμικών κατεργασιών των υλικών για έναν μηχανικό απαιτεί τη γνώση και κατανόηση των διαγραμμάτων φάσεων και μικροδομών. Μερικές ιδιότητες των υλικών είναι συνάρτηση των μικροδομών τους και επομένως, συνάρτηση του θερμικού ιστορικού τους. Η μικροδομή είναι αντικείμενο άμεσης μικροσκοπικής παρατήρησης με τη βοήθεια οπτικών ή ηλεκτρονικών μικροσκοπίων. Στα μεταλλικά κράματα η μικροδομή χαρακτηρίζεται από τον αριθμό των φάσεων οι οποίες είναι παρούσες, από τις αναλογίες τους, καθώς και από τον τρόπο με τον οποίο είναι κατανεμημένες ή διαμορφωμένες. Η μικροδομή ενός κράματος εξαρτάται από μεταβλητές όπως το είδος των παρόντων στοιχείων που συνθέτουν το κράμα, τις συγκεντρώσεις τους και τη θερμική κατεργασία του κράματος δηλαδή τη θερμοκρασία, το χρόνο θέρμανσης σε μια θερμοκρασία και το ρυθμό ψύξης μέχρι τη θερμοκρασία δωματίου. Πολλά μικροσυστατικά είναι πιθανά για χάλυβες και χυτοσιδήρους, ο σχηματισμός των οποίων εξαρτάται από την σύσταση και την θερμική κατεργασία. Στα μικροσυστατικά αυτά περιλαμβάνεται ο φερρίτης που είναι στερεά φάση καθαρού σιδήρου ή στερεό διάλυμα με βασικό συστατικό τον σίδηρο που κρυσταλλώνεται στο χωροκεντρομένο κυβικό σύστημα. Ο φερρίτης είναι η κύρια φάση στους κοινούς χάλυβες και τους χυτοσιδήρους και είναι πολύ όλκιμος. Επίσης ο λεπτόκοκκος και ο χονδρόκοκκος περλίτης και ο μπαινίτης τα οποία αποτελούνται από φάσεις φερρίτη και σεμεντίτη και προκύπτουν από την αποσύνθεση του ωστενίτη μέσω της διαδικασίας διάχυσης. Η μικροδομή σφαιροειδίτη, που επίσης αποτελείται από φάσεις φερρίτη και σεμεντίτη, μπορεί να προκύψει όταν ένα δείγμα που αποτελείται από τις προηγούμενες μικροδομές υποστεί θερμική κατεργασία σε θερμοκρασία ακριβώς μικρότερη της ευτηκτοειδούς. Ο σεμεντίτης είναι πιο σκληρός αλλά και ψαθυρός απότον φερρίτη. Ο λεπτόκοκκος περλίτης είναι πιο σκληρός και ανθεκτικός από τον χονδρόκοκκο αλλά λιγότερο όλκιμος. Ο μπαινίτης έχει μια πιο λεπτόκοκκη δομή και είναι γενικά πιο ανθεκτική μικροδομή από τον περλίτη ενώ ο σφαιροειδίτης έχει την λιγότερο ανθεκτική. Ο μαρτενσίτης, ένα ακόμα προϊόν μετασχηματισμού, προκύπτει μετά την απότομη ψύξη του ωστενίτη. Η εξέλιξη του μετασχηματισμού περισσότερο εξαρτάται από τη θερμοκρασία και λιγότερο από το χρόνο. Μηχανικά ο μαρτενσίτης είναι

14 εξαιρετικά σκληρός και ψαθυρός. Με μια θερμική κατεργασία που λέγεται επαναφορά αυξάνει την ολκιμότητα του εις βάρος της σκληρότητας και αντοχής. Κατά την επαναφορά ο μαρτενσίτης μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη επαναφοράς ο οποίος αποτελείται από τις εν ισορροπία φάσεις φερρίτη και σεμεντίτη. Εικόνα 2:Κράμα σιδήρου-άνθρακα υποευτηκτοειδούς σύστασης όπου διακρίνονται η περλιτική μικροδομή με τον προευτηκτοειδή φερρίτη. Τέλος, ως δυαδικό κράμα εννοείται αυτό που περιέχει δύο συστατικά. Εάν περισσότερα συστατικά είναι παρόντα, τα διαγράμματα φάσεων γίνονται πολύπλοκα και αρκετά δύσκολο να αναπαραχθούν. Από όλα τα δυαδικά συστήματα κραμάτων αυτό που παρουσιάζει το μεγαλύτερο ενδιαφέρον είναι το σύστημα σιδήρουάνθρακα. Τόσο οι χάλυβες όσο και οι χυτοσίδηροι, που είναι πρωτεύοντα υλικά δόμησης σε κάθε τεχνολογικά ανεπτυγμένη κοινωνία, είναι ουσιαστικά κράματα σιδήρου-άνθρακα. Οι χυτοσίδηροι που ουσιαστικά είναι τριμερή συστήματα είναι και τα κράματα που ασχολείται η παρούσα διπλωματική εργασία.

15 2.2. Χυτοσίδηροι Βασικά χαρακτηριστικά χυτοσιδήρων. Τα χυτά παρασκευάζονται με όδευση ρευστού μετάλλου σε κενό τύπο επιθυμητού σχήματος μορφής όπου και στερεοποιούνται. Ο όρος χυτοσίδηρος (castiron) περιγράφει μία μεγάλη οικογένεια μετάλλων, όπως και ο όρος χάλυβας (steel) για τα αντίστοιχα κράματα, με έντονα διαφοροποιημένες ιδιότητες. Η βασική διαφοροποίηση, τουλάχιστον ως προς τον χημισμό των δύο αυτών οικογενειών σιδηρούχων κραμάτων, είναι η περιεκτικότητα σε άνθρακα. Οι περισσότεροι χάλυβες περιέχουν άνθρακα σε ποσοστό μικρότερο του 1,5%, ενώ οι χυτοσίδηροι μεγαλύτερο του 2% και μέχρι περίπου 3,5%. Επιπλέον οι χυτοσίδηροι περιέχουν και πυρίτιο σε ποσοστό από 1 μέχρι 3% στην κλασική τους μορφή. Η χημική αυτή διαφοροποίηση δεν είναι τυχαία αλλά αντίθετα έχει ισχυρή μεταλλουργική βάση και μορφώνει τις τελικές ιδιότητες εφαρμογών. Οι υψηλές περιεκτικότητες στα δύο αυτά στοιχεία αλλά και η παρουσία της ευτηκτικής στο ΔΙΦ (Εικόνα 3) καθιστούν τους χυτοσιδήρους έξοχα κράματα χύτευσης. Τήκονται εύκολα, είναι πολύ ρευστοί στην υγρή κατάσταση (χαμηλό ιξώδες) και δεν σχηματίζουν προβληματικά επιφανειακά φίλμ όταν αποχέονται προς χύτευση. Στερεοποιούνται, τέλος, χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα συρρίκνωσης όγκου. Ένα σημαντικό ποσοστό του περιεχομένου άνθρακα διαχωρίζεται από τον κύριο όγκο του υλικού κατά την στερεοποίηση και εμφανίζεται ως ανεξάρτητο συστατικό στη μικροδομή του στερεού υλικού. Το είδος και το σχήμα της φάσης του διαφοροποιημένου άνθρακα στη στερεά κατάσταση ρυθμίζει τη φύση και τις ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Από την άποψη αυτή διακρίνονται πέντε κύριες οικογένειες χυτοσιδήρων, ο λευκός Χ/Σ, ο όλκιμος (ή μαλακτός) Χ/Σ, ο γκρίζος Χ/Σ, ο ελατός Χ/Σ ή Χ/Σ σφαιροειδούς γραφίτη και τέλος ο Χ/Σ συμπαγούς άνθρακα.

16 Εικόνα 3: Διάγραμμα ισορροπίας φάσεων σιδήρου σεμεντίτη Κατηγορίες χυτοσιδήρων. Φαιός (γκρίζος) χυτοσίδηρος Η περιεκτικότητα σε άνθρακα και πυρίτιο στους φαιούς Χ/Σ κυμαίνεται μεταξύ 2,5-4,0% και 1,0-3,0% αντίστοιχα. Στους περισσότερους Χ/Σ αυτού του είδους, ο γραφίτης υπάρχει με μορφή φυλλιδίων, τα οποία συνήθως περιβάλλονται από μία μήτρα φερρίτη ή περλίτη. Λόγω αυτών των φυλλιδίων γραφίτη, μια επιφάνεια από θραύση παρουσιάζει φαιό (γκρίζο) χρώμα, απ όπου προέρχεται και το όνομα του. Μηχανικά οι φαιοί Χ/Σ παρουσιάζουν ψαθυρή συμπεριφορά ως αποτέλεσμα της μικροδομής τους. Λευκός χυτοσίδηρος Στους Χ/Σ χαμηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο (μικρότερης από 1,0% Si) και για ταχείς ρυθμούς ψύξης, το μεγαλύτερο μέρος άνθρακα είναι σε μορφή σεμεντίτη αντί γραφίτη. Στη λευκή εμφάνιση της επιφάνειας θραύσης αυτού του κράματος οφείλεται η ονομασία λευκός Χ/Σ. Τμήματα μεγάλου πάχους είναι δυνατό να περιέχουν μόνο ένα επιφανειακό στρώμα λευκού σιδήρου το οποίο έχει «παγώσει» κατά τη διάρκεια της χύτευσης, ενώ το εσωτερικό τους αποτελείται από γκρίζο σίδηρο, ως αποτέλεσμα του πιο

17 χαμηλού ρυθμού ψύξης. Ως συνέπεια των μεγάλων ποσοτήτων σεμεντιτικής φάσης οι λευκοί σίδηροι είναι εξαιρετικά σκληροί αλλά και πολύ ψαθυροί, σε τέτοιο σημείο που να είναι μην δυνατή η μηχανική επεξεργασία τους. Όλκιμος (μαλακτός) χυτοσίδηρος Πρόκειται για μία έκδοση λευκού Χ/Σ στον οποίο έχει γίνει κατάλληλη θερμική κατεργασία σε θερμοκρασία πάνω από 870 ο C. Με την κατεργασία αυτή ο σεμεντίτης διασπάται και ο σχηματιζόμενος γραφίτης τείνει να συγκεντρωθεί σε συσσωματώματα ή νησίδες ιδιαίτερα ακανόνιστου σχήματος (tempered graphite). Ελατός χυτοσίδηρος Πρόκειται για την πλέον πρόσφατη οικογένεια Χ/Σ (ανακαλύφθηκε περί το 1950), της οποίας η ποσοστιαία συμμετοχή στις εμπορικές χρήσεις αυξήθηκε τα τελευταία χρόνια. Ονομάζεται και Χ/Σ σφαιροειδούς γραφίτη (ductile iron, nodular iron, spherulitic graphite iron). Την ονομασία του την παίρνει από τη σφαιροειδή μορφή των κόκκων γραφίτη, η οποία πρωτίστως επιτυγχάνεται με κατάλληλη πρόσμιξη πυρηνωτών (μαγνήσιο, σπάνιες γαίες) και εμβολιαστικών στο αρχικό τήγμα σύστασης παραπλήσιας με αυτήν του γκρίζου Χ/Σ. Ο ελατός Χ/Σ παρουσιάζει, εκτός των κλασικών ιδιοτήτων του γκρίζου, πολύ υψηλό μέτρο ελαστικότητας με γραμμική σχέση τάσης παραμόρφωσης, πολύ καλό εύρος τιμών τάσεων διαρροής και ιδιαίτερα καλή ολκιμότητα. Μπορεί και χυτεύεται σε μεγάλο εύρος διατομών, από λεπτές έως πολύ χοντρές. Χυτοσίδηρος συμπαγούς γραφίτη Ο Χ/Σ συμπαγούς γραφίτη παρουσιάζει μία μορφή γραφίτη ενδιάμεση μεταξύ της φυλλώδους μορφής και της σφαιροειδούς μορφής. Κατά συνέπεια, και οι ιδιότητές του υλικού αυτού κυμαίνονται μεταξύ των ιδιοτήτων των δύο αντίστοιχων κατηγοριών Χ/Σ (γκρίζου και ελατού). Όταν επιδιώκεται η παραγωγή του υλικού αυτού πρέπει στο τήγμα να γίνει συνδυασμός πυρηνωτών οι οποίοι ευνοούν τη σφαιροποίηση (μαγνήσιο, σπάνιες γαίες) και στοιχείων που δεν την ευνοούν (τιτάνιο, αλουμίνιο).

18 Ελατός χυτοσίδηρος Ο ελατός Χ/Σ παράγεται με κατεργασία σιδηρούχου τήγματος κατάλληλης σύνθεσης με μαγνήσιο πριν από τη χύτευση. Το μαγνήσιο προάγει την καταβύθιση του γραφίτη σε μορφή διακριτών σφαιριδίων αντί διασυνδεδεμένων νιφάδων. Ο ελατός Χ/Σ που σχηματίζεται έτσι, έχει υψηλή ελατότητα και χρησιμοποιείται σε εφαρμογές όπως: δαγκάνες φρένων, βαλβίδες, σωλήνες και εξαρτήματα μεταφοράς νερού και σε πολλές άλλες. Η παγκόσμια παραγωγή του ελατού είναι περισσότερη από 20 εκατομμύρια τόνοι/έτος (Εικόνα 4). Εικόνα 4: Ετήσια παγκόσμια παραγωγή ελατού Χ/Σ. Τα βασικά στάδια της διαδικασίας παραγωγής ελατών Χ/Σ (Εικόνα 5) περιλαμβάνουν την τήξη των μετάλλων σε φούρνο τήξης, τη σφαιροποίηση (nodularization) και τον εμβολιασμό (innoculation) του τήγματος. Η σφαιροποίηση γίνεται με τη χρήση μαγνησίου. Η δραστικότητα του μαγνησίου κατά τη διάρκεια της διεργασίας θα πρέπει να ελέγχεται και να ελαχιστοποιείται. Μια βίαιη διαδικασία θα παρέχει πιο δύσκολες συνθήκες για την επιθυμητή αποτελεσματικότητα κατά τον εμβολιασμό. Ο εμβολιασμός του τήγματος, ο οποίος είναι πολύ σημαντικός παράγοντας διότι συντείνει στην συγκέντρωση του άνθρακα προς ανεξάρτητες οντότητες μέσα στο τήγμα

19 (φυλλίδια ή σφαίρες), δεν είναι μόνιμος και η επίδραση του εμβολιαστικού αρχίζει να εξασθενεί από τη στιγμή που προστίθεται. Στόχος του εμβολιασμού είναι η αποφυγή του σχηματισμού αποθέσεων καρβιδίων (cementite), η βελτίωση της μηχανικής κατεργασίας των προϊόντων χύτευσης, η μείωση της σκληρότητας και αύξηση της πλαστικότητας. Τα βασικά στοιχεία σχηματισμού πυρήνων στον εμβολιασμό είναι το ασβέστιο (Ca), το βάριο (Ba), το στρόντιο (Sr) και το αλουμίνιο (Αl). Η τήξη των μετάλλων γίνεται και σε ορθοκαμίνους (cuppolas), κυρίως για μεγάλες παραγωγές, αλλά τότε απαιτείται αποθείωση (desulphurisation) πριν τη σφαιροποίηση και τον εμβολιασμό. Εικόνα 5: Διάγραμμα ροής παραγωγής ελατού Χ/Σ.

20 Ιδιότητες και χρήσεις ελατού χυτοσιδήρου Ο ελατός Χ/Σ παρουσιάζει μια σειρά από ιδιότητες που είναι μοναδικές συγκριτικά με τους υπόλοιπους τύπους Χ/Σ. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζουν η αντοχή σε εφελκυσμό και η αντοχή θραύσης, η εξαιρετική κατεργασιμότητα, η πολύ καλή αντοχή σε φθορά λόγο τριβής και η υψηλή αντοχή σε κρουστική ή εναλλασσόμενη φόρτιση. Ακόμα σημαντικό είναι το γεγονός ότι επιδέχεται συγκόλληση ομοιάζοντας τον χάλυβα και τέλος παρουσιάζει υψηλή μηχανική αντοχή και αντοχή στην διάβρωση. παραγωγή: Ο ελατός Χ/Σ λόγω των ιδιαίτερων χαρακτηριστικών του χρησιμοποιείται για την Αντλιών Αξόνων Στροφαλοφόρων αξόνων Αγωγών Σωλήνων Σωληνώσεων αποχετεύσεων Διακοπτών Εξαρτημάτων μηχανών Εξαρτημάτων ανεμογεννητριών Πιεστηρίων Κυλίνδρων Κιβώτιων ταχυτήτων Οδοντωτών τροχών 2.3. Τεχνικές επεξεργασίας ελατού Χ/Σ Θερμικές κατεργασίες Ο ελατός Χ/Σ υπόκειται σε θερμικές κατεργασίες με στόχο τη δημιουργία νέων μικροδομών αλλά και τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων που αποκτά το υλικό κατά την χύτευση (as-cast). Οι περισσότεροι as-cast ελατοί Χ/Σ αποτελούνται από φερριτικές ή περλιτικές μήτρες ή ένα συνδυασμό αυτών. Οι διάφορες θερμικές κατεργασίες

21 (ανόπτηση, εξομάλυνση, ωστενιτοποίηση κ.ά.) μπορούν να προσδώσουν στο υλικό ένα πλήθος μικροδομών αλλά και να επεκτείνουν τα όρια των μηχανικών του ιδιοτήτων Ανόπτηση (Annealing) Όταν είναι επιθυμητή μέγιστη ολκιμότητα και καλή κατεργασιμότητα και δεν απαιτείται υψηλή αντοχή, οι ελατοί Χ/Σ υπόκεινται σε μια ανόπτηση προς φερριτκή μικροδομή. Η μικροδομή έτσι μετατρέπεται σε φερρίτη, και ο περίσσιος άνθρακας εναποτίθεται στις υπάρχουσες σφαίρες. Οι ποσότητες μαγγανίου, φωσφόρου και κραματικών στοιχείων, όπως το χρώμιο και το μολυβδαίνιο θα πρέπει να είναι όσο το δυνατόν χαμηλότερες, εάν η υψηλή κατεργασιμότητα είναι επιθυμητή, επειδή αυτά τα στοιχεία επιβραδύνουν την διαδικασία ανόπτησης. Η συνιστώμενη πρακτική από βιομηχανική άποψη για την ανόπτηση των ελατών χυτοσιδήρων δίνεται παρακάτω για διαφορετικές περιεκτικότητες των κραμάτων και για τα προϊόντα χύτευσης με ή χωρίς ευτηκτικά καρβίδια: Πλήρης ανόπτηση για Χ/Σ με 2-3% πυρίτιο χωρίς ευτηκτικά καρβίδια: Θέρμανση του υλικού και παραμονή για μία ώρα σε θερμοκρασία ο C. Στην συνέχεια ψύξη μέσα στον φούρνο με ρυθμό 55 ο C/h μέχρι τους 345 ο C. Τέλος ψύξη του υλικού σε ατμοσφαιρικό αέρα. Πλήρης ανόπτηση για Χ/Σ με ευτηκτικά καρβίδια: Θέρμανση του υλικού και παραμονή για δύο ώρες τουλάχιστον σε θερμοκρασία ο C. Στην συνέχεια ψύξη μέσα στον φούρνο με ρυθμό 110 ο C/h μέχρι τους 700 ο C και παραμονή σε αυτή τη θερμοκρασία για δύο ώρες. Έπειτα ακολουθεί ψύξη μέσα στον φούρνο με ρυθμό 55 ο C/h μέχρι τους 345 ο C και τέλος ψύξη του υλικού σε ατμοσφαιρικό αέρα. Ανόπτηση για τη μετατροπή περλίτη σε φερρίτη: Θέρμανση του υλικού και παραμονή για μία ώρα σε θερμοκρασία ο C. Στην συνέχεια ψύξη μέσα στον φούρνο με ρυθμό 55 ο C/h μέχρι τους 345 ο C. Τέλος ψύξη του υλικού σε ατμοσφαιρικό αέρα. Όταν υπάρχουν στοιχεία κραμάτωσης ο ρυθμός ψύξης πρέπει να είναι μικρότερος των 55 ο C/h όταν η θερμοκρασία περάσει τους 400 ο C

22 Εξομάλυνση (Normalizing) Η εξομάλυνση μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την αντοχή σε εφελκυσμό. Η μικροδομή που λαμβάνεται με την κατεργασία αυτή εξαρτάται από τη σύσταση του χυτού και τον ρυθμό ψύξης. Η εξομάλυνση παράγει γενικά μια ομοιογενή δομή λεπτόκοκκου περλίτη, εάν ο χυτοσίδηρος δεν έχει πολύ υψηλή περιεκτικότητα σε πυρίτιο και έχει τουλάχιστον μια μέτρια περιεκτικότητα μαγγανίου (0,3 έως 0,5% ή υψηλότερη). Τα βαρύτερα χυτά που χρειάζονται εξομάλυνση συνήθως περιέχουν στοιχεία κράματωσης, όπως νικέλιο, μολυβδαίνιο, μαγγάνιο και αναπτύσσουν μία πλήρως περλιτική δομή μετά την κατεργασία. Αντίθετα τα ελαφρύτερα χυτά μπορεί να είναι μαρτενσιτικά ή μπορεί να έχουν βελονοειδή δομή, μετά την εξομάλυνση. Η θερμοκρασία στην οποία πραγματοποιείται η συγκεκριμένη διαδικασία είναι συνήθως μεταξύ ο C και βέβαια η ψύξη γίνεται στον αέρα. Οι όροι πλήρης ανόπτηση και εξομάλυνση αναφέρονται στους χάλυβες. Είναι θέμα συνειρμού η μεταφορά των όρων αυτών στους χυτοσιδήρους. Ο πιο δόκιμος όρος για τους χυτοσιδήρους θα ήταν «τύπος πλήρους ανόπτησης» και «τύπος εξομάλυνσης» Ωστενιτοποίηση (Austenitizing) H ωστενιτοποίηση περιλαμβάνει τη θέρμανση του υλικού σε θερμοκρασία υψηλότερη κατά 50 ο C από την ευτηκτοειδή (727 ο C). Με την υπέρβαση της ευτηκτοειδούς ο περλίτης (ή φερρίτης) μετατρέπεται σε ωστενίτη, ενώ ο σεμεντίτης διαλύεται σταδιακά. Πλήρης ωστενιτοποίηση συμβαίνει στην ωστενιτική περιοχή. Θέρμανση όμως στην καθαρά ωστενιτική περιοχή είναι ασύμφορη, γιατί στους Χ/Σ η ολοκλήρωση του μαρτενσιτικού μηχανισμού δεν είναι δυνατή με τα συνήθη τεχνικά ψυκτικά μέσα, καθώς η θερμοκρασία τέλους του μαρτενσιτικού μηχανισμού είναι υπομηδενική. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί πλήρης μετατροπή του κράματος σε ωστενίτη, απαιτείται η παραμονή στη θερμοκρασία ωστενιτοποίησης να διαρκέσει αρκετό χρόνο, χωρίς όμως να προκληθεί ανεπιθύμητη αύξηση του μεγέθους των κόκκων. Εάν η δομή του ωστενίτη είναι λεπτόκοκκη και ομογενής, τότε και η τελική δομή είναι επίσης λεπτόκοκκη, παρουσιάζοντας τις βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες των λεπτοκρυσταλλικών υλικών.

23 Βαφή και επαναφορά (Quenching and Tempering) Βαφή είναι μια θερμική κατεργασία κατά την οποία ο ωστενιτοποιημένος χάλυβας (ή χυτοσίδηρος) ψύχεται ταχύτατα με αποτέλεσμα το σχηματισμό μαρτενσίτη, σε αντίθεση με τις θερμικές κατεργασίες των ανοπτήσεων, στις οποίες η ψύξη πραγματοποιείται με βραδύτερους ρυθμούς και καταλήγουν στο σχηματισμό των φάσεων ισορροπίας φερρίτη και σεμεντίτη και στη μικρογραφική δομή του περλίτη, όπως αυτές προβλέπονται από το διάγραμμα ισορροπίας Fe-C. Σκοπός της βαφής είναι η σκλήρυνση και η βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των χαλύβων (ή χυτοσιδήρων) καθώς και η αύξηση της ανθεκτικότητάς τους στη φθορά, με συνέπεια την επιμήκυνση του χρόνου ζωής των διάφορων εξαρτημάτων. Η βαφή αποτελείται από δυο βασικά στάδια: την ωστενιτοποίηση και την ταχεία ψύξη σε θερμοκρασία περιβάλλοντος. Επειδή όμως ο χάλυβας (ή χυτοσίδηρος) μετά τη βαφή είναι σκληρότατος, ψαθυρός και εύθραυστος, συχνά ακολουθεί και ένα τρίτο στάδιο η επαναφορά. Αρχικά το εξάρτημα θερμαίνεται έως τη θερμοκρασία βαφής και παραμένει σε αυτή τη θερμοκρασία μέχρι να θερμανθεί σε όλο του το βάθος. Κατόπιν ψύχεται με αποτέλεσμα ο χάλυβας (ή χυτοσίδηρος) να γίνεται σκληρός, αλλά και ψαθυρός και εύθραυστος. Για αυτόν το λόγο, το εξάρτημα θερμαίνεται ξανά μέχρι τη θερμοκρασία επαναφοράς και κατόπιν ψύχεται στον αέρα. Έτσι, το εξάρτημα αποκτά την απαιτούμενη σκληρότητα Προετοιμασία των απαιτούμενων δειγμάτων Λήψη Η αποκοπή ενός τεμαχίου μετάλλου από κάποιο μητρικό εξάρτημα πρέπει να επιχειρείται με προσοχή (αποφυγή κατά το δυνατόν της βίαιης αποκόλλησης) ώστε να αποφεύγεται η επιβολή τάσεων πέραν αυτών τις οποίες κατέχει το εξάρτημα εκ κατασκευής. Κατά την κοπή πρέπει να καταιονίζεται νερό για να αποφεύγεται η βαφή του μετάλλου από την υπερβολική θερμοκρασία. Τα κομμάτια από αυτή την εργασία εμφανίζουν σχεδόν πάντα ζώνες έντονης πλαστικής παραμόρφωσης.

24 2.4.2.Εκχόνδριση Στο αποκομμένο τεμάχιο πιθανόν να υπάρχουν μεταλλικές προεξοχές, οι οποίες κάνουν το μέταλλο ακατάλληλο για περαιτέρω επεξεργασία. Επίσης το επιφανειακό στρώμα του μετάλλου κατέχει ζώνη βίαιης παραμόρφωσης από τη διεργασία της κοπής. Στόχος, λοιπόν, της εκχόνδρισης είναι η απομάκρυνση των παραπάνω ζωνών ακατάλληλου επιφανειακού υλικού. Τα μηχανήματα εκχόνδρισης περιέχουν έναν περιστρεφόμενο με μεγάλη ταχύτητα οριζόντιο δίσκο στον οποίο εφαρμόζεται ένα σμυριδόπανο ή κάποιο αποβρωτικό χαρτί διαμέτρου Φ 12''. Η περιστροφή εκτελείται υπό καταιονισμό νερού και το δείγμα τοποθετείται με τρόπο ώστε να αφαιρεθεί η ανεπιθύμητη επιφανειακή ζώνη. Γενικός κανόνας,η αφαίρεση δύο επιφανειακών στρώσεων μεγέθους όσο το μέγεθος των κόκκων του αποβρωτικού υλικού σε διευθύνσεις κάθετες μεταξύ τους Εγκιβωτισμός Το μεταλλικό τεμάχιο είναι πιθανό να παρουσιάζει μορφή απρόσφορη για επεξεργασία του στα επόμενα στάδια. Τότε επιχειρείται εγκιβωτισμός σε κατάλληλα υλικά έτσι ώστε να δημιουργηθεί ένα κυλινδρικό δοκίμιο τυπικής διαμέτρου περίπου Φ 25 mm και ύψους τουλάχιστον 20 mm το οποίο μπορεί να υποστεί εύκολους χειρισμούς στα επόμενα στάδια. Τα υλικά του εγκιβωτισμού είναι είτε θερμοπλαστικά, είτε διαφανείς ακρυλικές πλαστικές ύλες, είτε εποξειδικές ρητίνες Μηχανική λείανση Η μηχανική λείανση των δοκιμίων πραγματοποιείται με μία σειρά από λειαντικά χαρτιά (γυαλόχαρτα) καρβίδιου του πυριτίου (SiC). Τα γυαλόχαρτα τοποθετούνται πάνω στον περιστρεφόμενο δίσκο της λειαντικής συσκευής (Εικόνα 6) ενώ ταυτόχρονα κατά τη λείανση χρησιμοποιείται νερό τόσο για την ψύξη του δοκιμίου όσο και για την απομάκρυνση των υπολειμμάτων (γρέζια) της λείανσης. Η λείανση ξεκινά με γυαλόχαρτα με μεγάλους κόκκους SiC (80 grit) και στη συνέχεια διαδοχικά χρησιμοποιούνται γυαλόχαρτα με όλο και λεπτότερους κόκκους. Ο τύπος του γυαλόχαρτου (χονδρόκοκκο ή λεπτόκοκκο) εκφράζεται με νούμερα τυπωμένα στην πίσω όψη του χαρτιού τα οποία μεταβάλλονται αντίστροφα ως προς το μέγεθος των κόκκων,

25 δηλαδή μεγάλο νούμερο γυαλόχαρτου σημαίνει μικρό μέγεθος κόκκων SiC. Τα γυαλόχαρτα που χρησιμοποιήθηκαν με σειρά μειούμενου μεγέθους κόκκων είναι τα εξής: 80, 240, 400, 600, 800, 1000 και 1200 grit. Με αυτό τον τρόπο εφαρμογή της μίας σειράς εξαλείφει τις χαραγές της προηγούμενης και στο τέλος προκύπτει μία επίπεδη και στιλπνή επιφάνεια. Σημαντικό είναι να τονιστεί ότι α) σε κάθε στάδιο λείανσης, όπου αλλάζει το λειαντικό χαρτί, η λείανση γίνεται σε κατεύθυνση κάθετη προς τη κατεύθυνση του προηγούμενου σταδίου λείανσης και β) η πίεση του δοκιμίου πάνω στο περιστρεφόμενο λειαντικό χαρτί πρέπει να είναι ομοιόμορφη. Εικόνα 6: Λειαντική συσκευή Χημική προσβολή Για την αποκάλυψη της μικροδομής και των δομικών χαρακτηριστικών ενός δοκιμίου είναι απαραίτητη η χημική προσβολή του. Χρησιμοποιούνται κατάλληλα χημικά αντιδραστήρια, ανάλογα με το εξεταζόμενο υλικό, τα οποία αντιδρούν με τη μεταλλική επιφάνεια για συγκεκριμένο χρονικό διάστημα (χρόνος προσβολής), το οποίο μπορεί να κυμαίνεται ανάλογα με το υλικό και το αντιδραστήριο προσβολής από μερικά δευτερόλεπτα μέχρι μερικές ώρες. Η χημική προσβολή οδηγεί σε εκλεκτική διάβρωση των ορίων των κόκκων, τα οποία φαίνονται στο οπτικό μικροσκόπιο σαν σκοτεινές γραμμές που περιβάλλουν τους κόκκους.

26 2.5. Σκληρομέτρηση των δοκιμίων Σκληρότητα ορίζεται η αντίσταση που προβάλει η επιφάνεια ενός μετάλλου στην προσπάθεια κάθετης παραμόρφωσης της επιφάνειας του και εξαρτάται από τη φύση του μετάλλου, την κρυσταλλική του δομή και τις τεχνικές κατασκευής και κατεργασίας του. Ο έλεγχος της σκληρότητας των υλικών γίνεται με διάφορες μεθόδους, όπως η σκληρότητα σε εγχάραξη, η σκληρότητα σε λείανση, η σκληρότητα σε κρουστικά φορτία και η σκληρότητα σε διείσδυση. Η σκληρότητα είναι μία μηχανική ιδιότητα του υλικού ανάλογη της αντοχής σε εφελκυσμό ή θλίψη και η τιμή της έχει άμεση σχέση με τη μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για την εύρεση της. Οι βασικές μέθοδοι σκληρομέτρησης είναι τρείς: Brinell, Vickers και Rockwell. Η σκληρομέτρηση Vickers, η οποία εφαρμόστηκε στην παρούσα διπλωματική εργασία, βασίζεται στην αργή επιβολή ενός φορτίου μέσω αδαμάντινου διεισδύτη, σε ένα δοκίμιο το οποίο έχει υποστεί πολύ καλή λείανση. Ο διεισδύτης έχει σχήμα κανονικής τετραγωνικής πυραμίδας με γωνία απέναντι εδρών 136 ο. Το φορτίο κυμαίνεται από 0,2 έως 100 kgf και ο χρόνος εφαρμογής του sec. Η μέτρηση της σκληρότητας του δοκιμίου γίνεται από τη μέτρηση των δύο διαγωνίων του τετραγωνικού αποτυπώματος (d1, d2) (Εικόνα 7). Η τιμή της σκληρότητας Vickers προκύπτει από τη χρήση του τύπου: 136 F F HV 2 sin 1, d d (1) Όπου: F είναι το φορτίο εφαρμογής (σε kgf) και d 2 η επιφάνεια του αποτυπώματος σε mm 2.

27 Εικόνα 7: Η σκληρομέτρηση Vickers. Οι διαφορές της μικροσκληρομέτρησης Vickers που χρησιμοποιήθηκε στο εργαστήριο με την απλή σκληρομέτρηση Vickers είναι ότι το μήκος της διαγωνίου μετράται με μικροσκόπιο και ότι η εύρεση της τελικής τιμής δεν γίνεται από τον τύπο αλλά με την χρήση κατάλληλων πινάκων μετατροπής. Τέλος, τα μικροσκληρόμετρα Vickers χρησιμοποιούν φορτία από μερικά έως μερικές δεκάδες γραμμάρια (gf) Συγκόλληση των μετάλλων Συγκόλληση (welding) είναι η διεργασία συνένωσης (joining) μετάλλων (ή και πλαστικών) με πρόσφυση (coalescence) επιφανειών στο σημείο επαφής. Η πρόσφυση επιτυγχάνεται με εφαρμογή θερμότητας, πίεσης ή συνδυασμού των δύο και οδηγεί στη δημιουργία της ραφής συγκόλλησης. Ανάλογα με την τεχνική συγκόλλησης εφαρμόζονται πληρωτικές ουσίες (fillers) προκειμένου να επιτευχθεί η επιθυμητή ποιότητα ραφής. Όταν δεν εφαρμόζονται πληρωτικά η συγκόλληση ονομάζεται αυτογενής. Τα πληρωτικά ονομάζονται αναλώσιμα των συγκολλήσεων (weldingconsumables). Προκειμένου να συγκολληθούν δύο μέταλλα με τήξη απαιτείται να τους παρασχεθεί τοπικά ενέργεια. Αυτή παρέχεται σήμερα με τέσσερις διακριτούς τρόπους: 1. Με χημικές αντιδράσεις. 2. Με μηχανική δράση. 3. Με ακτινοβολία 4. Με ηλεκτρισμό.

28 Τρεις εναλλαγές χρησιμοποιούνται ευρέως στην τεχνολογία για να τήξουν με ηλεκτρισμό το πληρωτικό και εν μέρει τοπικά το μέταλλο βάσης: Α. Η συγκόλληση αντίστασης Β. Τα υψίσυχνα ρεύματα επαγωγής Γ. Το ηλεκτρικό τόξο. Εφαρμόζει συνδυασμό δράσεων και αντίστασης για τήξη και συγκόλληση των μετάλλων Η συγκόλληση τόξου με επενδυμένο ηλεκτρόδιο (SMAW) Η συγκόλληση τόξου με επενδυμένο ηλεκτρόδιο (Εικόνα 8) είναι γνωστή επίσης και ως συγκόλληση «ράβδων» ή «ηλεκτροδίων» και είναι ο πιο κοινός τύπος συγκόλλησης χωρίς πίεση. Ένα ηλεκτρικό τόξο αναπτύσσεται μεταξύ τουηλεκτροδίου της συγκόλλησης και του κομματιού προς κατεργασία και λιώνει το μέταλλο και το ηλεκτρόδιο. Το λιωμένο μέταλλο στη συνέχεια καθώς κρυώνει διαμορφώνει τη συγκόλληση. Στην επιφάνεια της συγκόλλησης σχηματίζεται σκουριά, από τη ροή και άλλους ρύπους των μετάλλων, η οποία αφαιρείται από τη συγκόλληση είτε με το χέρι είτε με αέρα. Τα ηλεκτρόδια περιέχουν το ίδιο μέταλλο με το βασικό κράμα. Λειτουργούν ως μέσο αγωγής για το ηλεκτρικό ρεύμα και ως υλικό πληρώσεως για τη διαμόρφωση της ένωσης. Η επένδυση των ηλεκτροδίων είναι τριών τύπων: Κυτταρίνης: ΤΐΟ2, άμμος και πυριτικό άλας μαγνησίου Ρουτιλίου: TiΟ2, CaCΟ3 και κυτταρίνη Βασικό: υψηλή περιεκτικότητα ανθρακικού άλατος ή φθοριδίου του ασβεστίου Η κύρια λειτουργία της επένδυσης των ηλεκτροδίων είναι η απελευθέρωση ενός αερίου προστατευτικού καλύμματος (όπως το CΟ2), το οποίο εμποδίζει την είσοδο του αέρα στην περιοχή της συγκόλλησης. Η επένδυση επιπλέον σταθεροποιεί το τόξο, προσθέτει κράμα μετάλλου στη συγκόλληση και ελέγχει το ιξώδες του λιωμένου μετάλλου. Η σύνθεση του ηλεκτροδίου και της επένδυσης περιγράφεται με έναν κωδικό ταξινόμησης ο οποίος είναι τυπωμένος επάνω στο ηλεκτρόδιο.

29 Εικόνα 8: Οι αρχές της τεχνικής SMAW. Tα βασικά μεταλλουργικά χαρακτηριστικά μιας ραφής κατά το τελευταίο της στάδιο (πριν την πλήρη στερεοποίησή της) είναι τα παρακάτω: Βασικό μέταλλο (ΒΜ): Πρόκειται για τo μέταλλο τo οποίο συγκολλήθηκε και κατά τη συγκόλληση δεν επηρεάστηκε θερμικά. Ζώνη τήξης (ΖΤ): Το επιφανειακό τμήμα του βασικού μετάλλου το οποίο τήκεται από το τόξο και στην τελική φάση δεν προλαβαίνει να διαλυθεί στο ΕΜ. Στερεοποιείται επί τόπου. Εναποτιθέμενο μέταλλο (ΕΜ): Πρόκειται για το υλικό του ηλεκτροδίου το οποίο τήκεται από το τόξο, διαλύει ένα επιδερμικό τμήμα του βασικού μετάλλου και υπό τη διαφοροποιημένη αυτή χημική σύσταση στερεοποιείται στο διατιθέμενο χώρο στη ραφή συγκόλλησης. Ζώνη μερικής τήξης (ΖΜΤ): Στη ζώνη αυτή συμβαίνει τήξη μετάλλου λόγω διαφορισμού στοιχειώνκαι στερεοποίηση επί τόπου. Ζώνη επηρεασμού θερμότητας (ΖΕΘ): Είναι η ζώνη στο βασικό μέταλλο, η οποία υπέστη θερμική κατεργασία με δομικές μεταβολές του υλικού λόγω του θερμικού κύκλου της συγκόλλησης (Εικόνα 9). Εικόνα 9: Η περιοχή της συγκόλλησης.

30 2.7. Η Ζώνη Επηρεασμού Θερμότητας (ΖΕΘ) Η συγκόλληση των μετάλλων γίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες. Κατά την ψύξη υπάρχει μία περιοχή του ΒΜ όπου συμβαίνει μία ποικιλία από φαινόμενα στη στερεά κατάσταση τα οποία μεταβάλλουν τα κρυσταλλογραφικά χαρακτηριστικά του βασικού μετάλλου.. Η περιοχή αυτή ονομάζεται ζώνη επηρεασμού θερμότητας και συμβολίζεται ως ΖΕΘ. Το αποτέλεσμα είναι να παρατηρείται συχνά μείωση της μηχανικής αντοχής γύρω από την περιοχή της συγκόλλησης. Πολλά είναι τα φαινόμενα τα οποία λαμβάνουν χώρα στη ΖΕΘ. Εξελίσσονται κατά ζώνες πάντα σε συνάρτηση με την ταχύτητα ψύξης: Η ΖΕΘ χαρακτηρίζεται ως υποκρίσιμη (subcritical ΗΑΖ) όταν η θερμοκρασία αιχμής της διεργασίας δεν υπερβαίνει μία χαρακτηριστική (κρίσιμη) θερμοκρασία του βασικού μετάλλου. Αυτή μπορεί να είναι η θερμοκρασία ανακρυστάλλωσης για μέταλλα εργοσκλήρυνσης, η θερμοκρασία solvus για κράματα γήρανσης ή η θερμοκρασία αλλοτροπικού μετασχηματισμού για κράματα ισχυροποιούμενα με μετασχηματισμό φάσης. Πάνω από την κρίσιμη θερμοκρασία το μέγεθος κόκκου μεγαλώνει (grain coarsening) όσο αυξάνεται η θερμοκρασία. Η αύξηση του μεγέθους κόκκου είναι μείζον τεχνολογικό πρόβλημα και αποτελεί κύρια αιτία ελάττωσης τοπικά της μηχανικής αντοχής του μετάλλου. Πολλές αστοχίες συγκολλήσεων οφείλονται στο φαινόμενο αυτό Μελέτη δομής μεταλλικών υλικών - Οπτική μεταλλογραφία Οπτική μικροσκοπία Η μικροσκοπική παρατήρηση κατάλληλα προετοιμασμένων δοκιμίων με την βοήθεια του οπτικού μεταλλογραφικού μικροσκοπίου, παρέχει ένα πλήθος από πληροφορίες σχετικές με τη δομή του εξεταζόμενου υλικού. Οι ιδιότητες των υλικών (μηχανικές, ηλεκτρικές, μαγνητικές, οπτικές) εξαρτώνται άμεσα από τη δομή τους και για το λόγο αυτό έχουν αναπτυχθεί μέθοδοι εξέτασης ικανές να δώσουν όσο το δυνατόν καλύτερες πληροφορίες.

31 Η απλούστερη από τις μεθόδους αυτές είναι η μέθοδος της οπτικής μικροσκοπίας με τη βοήθεια της οποίας είναι δυνατόν για παράδειγμα: να εντοπιστούν ρωγμές, πόροι, εγκλείσματα ξένων ουσιών ή οξειδίων μέσα σε μέταλλα/κράματα, κεραμικά, πολυμερή υλικά. να προσδιοριστεί το είδος, το μέγεθος και το σχήμα των κρυσταλλιτών/ κόκκων ενός μετάλλου/κράματος καθώς και οι διάφορες φάσεις και η κατανομή τους και να γίνει εκτίμηση με την βοήθεια των πληροφοριών αυτών για το είδος των μηχανικών ή θερμικών διεργασιών στις οποίες έχει υποβληθεί το υλικό κατά την κατασκευή του. να ελεγχθεί η καλή συγκόλληση μεταλλικών ελασμάτων ή αγωγών και να εντοπιστεί η πιθανή διάβρωση σε σημεία συγκόλλησης. να ελεγχθεί η σωστή επιμετάλλωση αγωγών, πλακετών τυπωμένων κυκλωμάτων, ηλεκτρικών επαφών. να ελεγχθεί η λειτουργικότητα ή μη μικρών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων Το οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο Το οπτικό μικροσκόπιο (Εικόνα 10) χρησιμοποιεί φως στην περιοχή του ορατού φωτός. Το δοκίμιο αφού υποβληθεί σε μια σειρά από κατάλληλες διεργασίες της επιφάνειάς του, τοποθετείται στην τράπεζα παρατήρησης του μεταλλογραφικού μικροσκοπίου και εξετάζεται η επιφάνειά του σε ανακλώμενο φώς. Στο οπτικό μικροσκόπιο μία δέσμη φωτός, προερχόμενη από την πηγή φωτός, ανακλάται σε ένα ημιδιαφανές κάτοπτρο και μέσω του αντικειμενικού φακού συγκεκριμένης μεγέθυνσης Μ 1 προσπίπτει στην επιφάνεια του δοκιμίου. Η ανακλώμενη στη συνέχεια ακτινοβολία αφού περάσει και πάλι μέσα από τον αντικειμενικό φακό θα σχηματίσει την εικόνα της μελετώμενης επιφάνειας μέσα από τον προσοφθάλμιο φακό μεγέθυνσης Μ 2. Η συνολική μεγέθυνση της εικόνας είναι ίση με το γινόμενο των μεγεθύνσεων Μ 1 x Μ 2. Συνήθως χρησιμοποιείται ένας προσοφθάλμιος φακός μεγέθυνσης 10Χ και διάφοροι αντικειμενικοί φακοί μεγεθύνσεων π.χ. 5Χ, 10Χ, 50Χ, 100Χ, οπότε η αντίστοιχη συνολική μεγέθυνση είναι 50Χ, 100Χ, 500Χ, 1000Χ αντίστοιχα.

32 Η φωτεινή ακτινοβολία κατά τη διαδρομή της περνάει μέσα από δύο διαφράγματα Δ 1 και Δ 2. Με το Δ 1 καθορίζεται το μέγεθος της περιοχής της επιφάνειας του δοκιμίου που θα φωτίζεται, ενώ με το Δ 2 που ονομάζεται διάφραγμα πεδίου, ρυθμίζεται το άνοιγμα της φωτεινής δέσμης, ώστε το μέρος που εξετάζουμε να φωτίζεται από ακτίνες που περνούν από το κεντρικό τμήμα του αντικειμενικού φακού, το οποίο παρουσιάζει μικρότερα σφάλματα και επηρεάζεται λιγότερο από ανακλάσεις μέσα στο μικροσκόπιο. Εικόνα 10: Οπτικό μεταλλογραφικό μικροσκόπιο. Μια σημαντική για τη μικροσκοπία παράμετρος είναι η διακριτική ικανότητα του αντικειμενικού φακού, που σχετίζεται άμεσα με την ποιότητά του και η οποία εκφράζει την ελάχιστη απόσταση (dmin) μεταξύ δύο σημείων έτσι ώστε να είναι διακριτά με το μικροσκόπιο και δίδεται από την σχέση: dmin=1.22 λ/(2a)(2) όπου λ: μήκος κύματος του χρησιμοποιούμενου φωτός και Α: αριθμητικό άνοιγμα του αντικειμενικού φακού, που εξαρτάται από την κατασκευή του, αποτελεί μέτρο της ικανότητας του φακού να συγκεντρώνει το φως και ορίζεται από τη σχέση: A = η ημθ (3)

33 όπου η: δείκτης διάθλασης του μέσου (αέρας ή λάδι) μεταξύ του αντικειμενικού φακού και της εξεταζόμενης επιφάνειας και 2θ: γωνία μεταξύ των ακραίων ακτίνων φωτός που εισέρχονται στον αντικειμενικό φακό. Δεδομένου ότι το φως που χρησιμοποιούν τα οπτικά μικροσκόπια συνήθως έχει ένα μέσο μήκος κύματος λ=500 nm και το αριθμητικό άνοιγμα (Α) ενός πολύ καλού φακού είναι 1.6, τότε η διακριτική ικανότητα του οπτικού μικροσκοπίου δε μπορεί να ξεπεράσει τα d=200 nm=0.2 μm και η χρήσιμη μεγέθυνση περίπου την τιμή 1600Χ. Ένας πρακτικός τρόπος υπολογισμού της χρήσιμης μεγέθυνσης δίδεται από τον τύπο Μ=1000 Α. Για να αυξηθεί η διακριτική ικανότητα θα πρέπει ή να ελαττωθεί το λ ή να αυξηθεί το η. Το πρώτο επιτυγχάνεται με τη χρήση υπεριώδους ακτινοβολίας και το δεύτερο παρεμβάλλοντας μεταξύ φακού και δοκιμίου ειδικό λάδι (πχ. κεδρέλαιο) που έχει δείκτη διάθλασης μεγαλύτερο της μονάδας (η=1.3). Στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιούνται ειδικοί αντικειμενικοί φακοί που ονομάζονται ελαιοκαταδυτικοί. Μια άλλη σπουδαία παράμετρος του αντικειμενικού φακού, ιδίως όταν η επιφάνεια έχει ανωμαλίες, είναι το βάθος πεδίου που καθορίζει το μέγιστο μήκος της τρίτης διάστασης του δείγματος (βάθος) που μπορούμε να έχουμε ευκρινές είδωλο. Η παράμετρος αυτή είναι αντιστρόφως ανάλογη του Α 2, δηλαδή ελαττώνεται όσο αυξάνεται το αριθμητικό άνοιγμα. Αυτό σημαίνει ότι όταν χρησιμοποιείται μεγάλη μεγέθυνση, οπότε το αριθμητικό άνοιγμα Α αυξάνεται, το βάθος πεδίου μειώνεται και έτσι δεν είναι δυνατόν να έχουμε ευκρινή εικόνα όταν υπάρχουν επιφανειακές ανωμαλίες.

34 3. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟ ΜΕΡΟΣ Στο σημείο αυτό παρουσιάζεται η διαδικασία που ακολουθήθηκε κατά την εκπόνηση της διπλωματικής εργασίας. Περιγράφονται οι τεχνικές και οι συσκευές που χρησιμοποιήθηκαν και δίδονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων που πραγματοποιήθηκαν Πειραματική διαδικασία Η εταιρία Χυτήρια Μακεδονίας ΑΕΒΕ στη Σίνδο Θεσσαλονίκης προσέφερε κυλινδρικά δοκίμια διαμέτρου 30 mm ελατού χυτοσιδήρου φερριτοπερλιτικής μήτρας σε κατάσταση as-cast. O χυτοσίδηρος χυτεύθηκε κατά την προδιαγραφή ΕΝ 1563 και ανήκει στην κλάση EN-GJS της προδιαγραφής αυτής (Πίνακας Ζ). Εικόνα 11: Κυλινδικό δοκίμιο ελατού Χ/Σ φεριτοπερλιτικής μήτρας Από τα κυλινδρικά δοκίμια αυτά αποσπάστηκαν, με μηχανική ψυχρή κοπή με πριονοκορδέλα, φέτες κατάλληλου πάχους για εκτέλεση σημειακής συγκόλλησης αλλά και για διαμόρφωση δοκιμίων τεταρτημορίων του κύκλου (Εικόνα 12).

35 Τα τελικα δείγματα που λήφθηκαν υπέστησαν τις παρακάτω διεργασίες: Θερμική κατεργασία 12 δοκιμίων στο φούρνο του εργαστηρίου σε θερμοκρασίες: 550, 650, 750, 850, 950, 1050 ο C. Σημειακή συγκόλληση 6 δοκιμίων (as cast) με ένταση ρεύματος 90, 100, 110, 120, 130, 140 Α αντίστοιχα. Μεταλλογραφικός έλεγχος με οπτικό μικροσκόπιο. Μικροσκληρομέτρηση. Εικόνα 12: Τεμάχια χυτοσιδήρου Θερμική κατεργασία Η θερμική κατεργασία των δοκιμίων πραγματοποιήθηκε στο φούρνο του εργαστηρίου (Εικόνα 13). Αρχικά, ο φούρνος προθερμαίνονταν. Όταν η θερμοκρασία έφτανε την επιθυμητή, εισέρχονταν στο φούρνο δύο δοκίμια τα οποία παρέμεναν σ αυτόν για 2 λεπτά. Μετά το πέρας των 2 λεπτών το ένα από τα δοκίμια έβγαινε από το φούρνο και επομένως γινόταν βαφή του στον ατμοσφαιρικό αέρα (συνθήκη πλήρους ανόπτησης). Το άλλο δοκίμιο παρέμενε στον φούρνο, του οποίου η λειτουργία είχε τερματιστεί, και επομένως ψύχονταν ομαλά (εξομάλυνση). Η αφαίρεσή του από το φούρνο γινόταν μετά από 24 ώρες.

36 Εικόνα 13: Φούρνος Carbolite. Η διαδικασία αυτή πραγματοποιήθηκε έξι φορές και κάθε φορά η επιθυμητή θερμοκρασία ήταν 100 ο C μεγαλύτερη από την προηγούμενη. Η αρχική θερμοκρασία ήταν 550 ο C και η τελική 1050 ο C Συγκόλληση δοκιμίων με χρήση της μεθόδου SMAW Η συγκόλληση των δοκιμίων έγινε από το προσωπικό του εργαστηρίου υλικών για λόγους ασφάλειας. Στα 6 δοκίμια πραγματοποιήθηκε άνοιγμα οπής στο κέντρο τους με Φ=7,5mm με χρήση τρυπανιού. Στην συνέχεια έγινε καθαρισμός των δοκιμίων με ακετόνη για την απομάκρυνση ρινισμάτων. Πραγματοποιήθηκαν έξι συγκολλήσεις με διαφορετική ένταση ρεύματος κάθε φορά (90, 100, 110, 120, 130, 140 Α). Το ηλεκτρόδιο αφού έλιωσε, έσταξε μέσα στην οπή μέχρι αυτή να γεμίσει. Τέλος τα δοκίμια αφέθηκαν να κρυώσουν στον ατμοσφαιρικό αέρα. Το ηλεκτρόδιο που χρησιμοποιήθηκε έχει κωδικό ENiFe-Cl-A92.58 και είναι του τύπου Νικελίου-Σιδήρου, κατάλληλο για τη συγκόλληση μεταξύ χυτοσιδήρων αλλά και τη συγκόλληση χυτοσιδήρων με χάλυβες. Η συγκολλήτρια τόξου ήταν η μηχανή KEMPPIMinarc 150.

37 Προετοιμασία δοκιμίων για μεταλλογραφικό έλεγχο Τα δοκίμια που υπέστησαν θερμικές κατεργασίες είχαν ακατάλληλη μορφή για περαιτέρω επεξεργασία. Για αυτό τον λόγο πραγματοποιήθηκε ο εγκιβωτισμός τους με τη χρήση πλαστικών καλουπιών (Εικόνα 14) τα οποία γεμίζονταν με μίγμα ρητίνηςσκληρυντικού σε αναλογία 15ml προς 2ml. Κατά την προετοιμασία του μίγματος γινόταν συνεχής, αργή ανάδευση για 2min προς αποφυγή φυσαλίδων. Πρώτα τοποθετήθηκαν τα μεταλλικά τεμάχια, έπειτα το υγρό μίγμα σε κάθε καλούπι και τέλος αφέθηκαν περίπου μία μέρα ώσπου να στερεοποιηθούν. Εικόνα 14: Πλαστικό καλούπι εγκιβωτισμού Στη συνέχεια για την εξάλειψη των χαραγών και για να προκύψει μια επίπεδη και στιλπνή επιφάνεια, σε όλα τα δοκίμια έγινε λείανση με σμυριδόχαρτα διαφόρων κατηγοριών (από χονδρόκοκκο σε λεπτόκοκκο) και έπειτα πραγματοποιήθηκε η στίλβωση. Τα γυαλόχαρτα που χρησιμοποιήθηκαν με σειρά μειούμενου μεγέθους κόκκων είναι τα εξής: 80, 240, 400, 600, 800, 1000, 1200grit. Για τη στίλβωση χρησιμοποιήθηκε αιώρημα αλουμίνας σε κατάλληλο ύφασμα πάνω στην περιστρεφόμενη βάση του λειαντικού τροχού. Για την αποκάλυψη της μικροδομής και των δομικών χαρακτηριστικών ενός δοκιμίου είναι απαραίτητη η χημική προσβολή του. Για τον σκοπό αυτό παρασκευάστηκε το αντιδραστήριο Nital, το οποίο είναι διάλυμα πυκνού νιτρικού οξέος σε μεθανόλη. Παρασκευάστηκε Nital 4% και τα δοκίμια εμβαπτιζόταν σ αυτό για περίπου 5sec.

38 Η μορφή που είχαν τα δοκίμια των θερμικών κατεργασιών μετά από το στάδιο της προετοιμασίας φαίνεται στην Εικόνα 15 και αντίστοιχα η μορφή των δοκιμίων των συγκολλήσεων στην Εικόνα 16. Εικόνα 15: Δοκίμια θερμικών κατεργασιών. Εικόνα 16: Δοκίμια συγκολλήσεων. Στο κέντρο των δοκιμίων στην Εικόνα 16 φαίνεται η περιοχή του εναποτιθέμενου μετάλλου, ενώ στην Εικόνα 15 το λευκό υλικό που περιβάλει τις μεταλλικές επιφάνειες είναι η ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε στο στάδιο του εγκιβωτισμού.

39 Μεταλλογραφικός έλεγχος Ο μεταλλογραφικός έλεγχος πραγματοποιήθηκε με το οπτικό -μεταλλογραφικό μικροσκόπιο του εργαστηρίου Olympus ΑΧ70 (Εικόνα 17) το οποίο είναι συνδεμένο με Η/Υ και διαθέτει το πρόγραμμα επεξεργασίας εικόνας Image-ProPlus. Εικόνα 17: Οπτικό- μεταλλογραφικό μικροσκόπιο. Έγινε έλεγχος όλων των περιοχών των δοκιμίων, με σκοπό να εντοπιστούν αστοχίες, περιοχές που δεν έχουν ψυχθεί πλήρως, ξένες ουσίες, να προσδιοριστεί το είδος, το μέγεθος και το σχήμα των κρυσταλλιτών του μετάλλου, οι διάφορες φάσεις και η κατανομή τους. Στα δοκίμια των συγκολλήσεων δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στην περιοχή της ραφής και έγινε μέτρηση της έκτασης της ζώνης επηρεασμού θερμότητας (ΖΕΘ) σε κάθε δοκίμιο Μικροσκληρομέτρηση Vickers Η σκληρομέτρηση πραγματοποιήθηκε με την βοήθεια του μικροσκληρόμετρου Vickers του εργαστηρίου (Εικόνα 18). Η μικροσκληρομέτρηση Vickers βασίζεται στην αργή επιβολή ενός φορτίου μέσω αδαμάντινου διεισδυτή, σε ένα δοκίμιο το οποίο έχει υποστεί πολύ καλή λείανση. Η τιμή του φορτίου που χρησιμοποιήθηκε ήταν 300gf με χρόνο εφαρμογής τα 10sec.

40 Η διαδικασία της μίκροσκληρομέτρησης είναι πολύ σημαντική για την εξαγωγή αποτελεσμάτων και συμπερασμάτων γι αυτό απαιτεί συγκέντρωση και ακρίβεια. Έτσι έγιναν πολλές επαναλήψεις στις μετρήσεις ώστε να αποφευχθεί το σφάλμα είτε λόγω ανθρώπινου παράγοντα είτε λόγω αστοχίας. Εικόνα 18: Μικροσκληρόμετρο Vickers.

41 4. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ 4.1. Μετρήσεις θερμικών κατεργασιών Σε όλα τα δοκίμια των θερμικών κατεργασιών πραγματοποιήθηκαν δύο σειρές μετρήσεων στην επιφάνειά τους. Η μία σειρά ήταν για τον φερρίτη και η άλλη για τον περλίτη. Κάθε σειρά αποτελούνταν από 5 (περλίτης) έως 10 (φερρίτης) μετρήσεις προκειμένου να εξαχθούν όσο το δυνατόν καλύτερα αποτελέσματα και να επιτευχθεί πιο ακριβής μέσος όρος Ψύξη εντός του φούρνου (δοκίμια Α) Τα αποτελέσματα των μικρο-σκληρομετρήσεων που έγιναν στα θερμικά κατεργασμένα δοκίμια που ψύχθηκαν εντός του φούρνου, παρουσιάζονται στον Πίνακα 1 αλλά και στα Σχήματα 1 και 2 που ακολουθούν. Όλες οι αναλυτικές μετρήσεις παρατίθενται στους Πίνακες Α και Β του παραρτήματος. Πίνακας 1: Μετρήσεις μικροσκληρότητας δοκιμίων Α θερμικών κατεργασιών ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ( o C) ΜΙΚΡΟΔΟΜΗ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ (ΗV) 550 Περλίτης Φερρίτης Περλίτης Φερρίτης Περλίτης Φερρίτης Περλίτης Φερρίτης Περλίτης Φερρίτης Φερρίτης 187 Να σημειωθεί ότι η μέτρηση Vickers στους 1050 ο C στη περλιτική μικροδομή δεν λήφθηκε διότι δεν ήταν δυνατό να βρεθεί ο περλίτης με το μικροσκόπιο.

42 Σχήμα 1: Διάγραμμα μικροσκληρότητας περλίτη των δοκιμίων Α Σχήμα 2: Διάγραμμα μικροσκληρότητας φερρίτη των δοκιμίων Α

43 Ψύξη εκτός του φούρνου (δοκίμια Β) Τα αποτελέσματα των μικρο-σκληρομετρήσεων που έγιναν στα θερμικά κατεργασμένα δοκίμια που ψύχθηκαν εκτός του φούρνου, παρουσιάζονται στον Πίνακα 2 αλλά και στα Σχήματα 3 και 4 που ακολουθούν. Όλες οι αναλυτικές μετρήσεις παρατίθενται στους Πίνακες Γ και Δ του παραρτήματος. Πίνακας 2: Μετρήσεις μικροσκληρότητας δοκιμίων Β θερμικών κατεργασιών ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ( o C) ΜΙΚΡΟΔΟΜΗ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ (ΗV) 550 Περλίτης Φερρίτης Περλίτης Φερρίτης Περλίτης Φερρίτης Περλίτης Φερρίτης Περλίτης Φερρίτης Φερρίτης 298 Να σημειωθεί ότι μέτρηση Vickers στους 1050 ο C στη περλιτική μικροδομή δεν λήφθηκε διότι δεν ήταν δυνατό να βρεθεί ο περλίτης με το μικροσκόπιο.

44 Σχήμα 3: Διάγραμμα μικροσκληρότητας περλίτη των δοκιμίων Β Σχήμα 4: Διάγραμμα μικροσκληρότητας φερρίτη των δοκιμίων Β

45 Φωτογραφική απεικόνιση δοκιμίων Για να γίνουν πιο κατανοητά τα αποτελέσματα αυτά στον αναγνώστη, αλλά και για να είναι πιο ξεκάθαρη η διαφορά των δοκιμίων Α που υπέστησαν τη θερμική κατεργασία και στη συνέχεια παρέμειναν στο φούρνο, με τα δοκίμια Β που ψύχθηκαν στον αέρα, κρίνεται επιβεβλημένη η συγκριτική παρουσίαση των μικροδομών τους, δηλαδή των αποτελεσμάτων της οπτικής μεταλλογραφίας. Ακολουθούν οι μικροδομές των παραπάνω δοκιμίων σε μεγέθυνση 200X. Εικόνα 19: Δοκίμιο Α 550 ο C (200Χ) Εικόνα 20: Δοκίμιο Β 550 ο C (200Χ) Εικόνα 21: Δοκίμιο Α 650 ο C (200Χ) Εικόνα 22: Δοκίμιο Β 650 ο C (200Χ) 45

46 Εικόνα 23: Δοκίμιο Α 750 ο C (200Χ) Εικόνα 24: Δοκίμιο Β 750 ο C (200Χ) Εικόνα 25: Δοκίμιο Α 850 ο C (200Χ) Εικόνα 26: Δοκίμιο Β 850 ο C (200Χ) Εικόνα 27: Δοκίμιο Α 950 ο C (200Χ) Εικόνα 28: Δοκίμιο Β 950 ο C (200Χ) 46

47 Εικόνα 29: Δοκίμιο Α 1050 ο C (200Χ) Εικόνα 30: Δοκίμιο Β 1050 ο C (200Χ) Μη καθαρές ή αλλοιωμένες μικροδόμες όπως η Eικόνα 30 μπορεί να οφείλονται σε ανθρώπινο λάθος κατά την μελέτη. Πιθανό είναι η χημική προσβολή να μην έγινε ορθά, π.χ το δοκίμιο να έμεινε στο Nital παραπάνω χρονική περίοδο από όσο χρειαζόταν Μετρήσεις συγκόλλησης Στα δοκίμια των συγκολλήσεων πραγματοποιήθηκαν αρχικά μετρήσεις σε όλη την επιφάνεια τους έτσι ώστε να εξακριβωθούν οι διαφορές στην σκληρότητα ανάμεσα στο βασικό μέταλλο (ΒΜ), στο εναποτιθέμενο μέταλλο (ΕΜ) και στην ζώνη επηρεασμού θερμότητας (ΖΕΘ). Για πιο ασφαλή συμπεράσματα έγιναν οι παρακάνω μετρήσεις σε δύο διαφορετικά, απομακρυσμένα σημεία στο δοκίμιο. Ο μέσος όρος των αποτελεσμάτων των συγκεκριμένων μετρήσεων παρουσιάζονται στον παρακάτω Πίνακα 3 και αναλυτικότερα στον Πίνακα Ε του παραρτήματος. Πίνακας 3: Μετρήσεις μικροσκληρότητας στην επιφάνεια των δοκιμίων κατόπιν συγκόλλησης. Περιοχή μέτρησης Συγκόλληση 90Α (ΗV) Συγκόλληση 100Α(ΗV) Συγκόλληση 110Α(ΗV) Συγκόλληση 120Α(ΗV) Συγκόλληση 130Α(ΗV) Συγκόλληση 140Α (ΗV) ΕΜ ΖΕΘ ΒΜ

48 Ο κύριος λόγος των υπολογίσιμων διαφορών που παρατηρούνται στις μικροσκληρομετρήσεις που έγιναν στην περιοχή της ΖΕΘ στις παραπάνω μετρήσεις είναι η μεγάλη ανομοιογένεια που παρουσιάζουν από σημείο σε σημείο. Για αυτό οι μετρήσεις στην ΖΕΘ έχουν τεράστιο ενδιαφέρον τόσο για την ανομοιογένεια αλλά και για τις υψηλές τιμές σκληρότητας που εμφανίζουν. Τα προφίλ σκληρότητας παρουσιάζονται στις παρακάτω μικροδομές ενώ αναλυτικότερα όλες οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν παρουσιάζονται στον Πίνακα Ε του Παραρτήματος Συγκόλληση στα 90 Α Στην Εικόνα 31 παρουσιάζεται η μικροδομή του δοκιμίου που υπέστη συγκόλληση στα 90Α. Φαίνεται χαρακτηριστικά η γραμμή ραφής μεταξύ του βασικού μετάλλου (ΒΜ) και του εναποτιθέμενου μετάλλου (ΕΜ) και ξεχωρίζουν οι περιοχές αυτές αλλά και η ζώνη επηρεασμού θερμότητας (ΖΕΘ). Εικόνα 31: Μικροδομή της συγκόλλησης στα 90 Α (200Χ) 48

49 Στην Εικόνα 32 παρουσιάζεται η μικροδομή της ραφής του ίδιου δοκιμίου σε μεγαλύτερη μεγένθυνση. Σε αυτήν περιλαμβάνονται και οι μικροσκληρομετρήσεις πουπραγματοποιήθηκαν, έτσι ώστε να γίνεται πιο κατανοητή στον αναγνώστη η διακύμανση στην σκληρότητα της συγκεκριμένης περιοχής. Εικόνα 32: Μικροδομήμικροσκληρότητας συγκόλλησης στα 90 Α (500Χ) Με τη βοήθεια του οπτικού μικροσκοπίου, των μεγεθυμένων εικόνων που λήφθηκαν και του μέτρου (μπάρας κλίμακας μήκους) υπολογίστηκε για κάθε θερμοκρασία προθέρμανσης τελικά το πάχος της ΖΕΘ. Με αυτό τον τρόπο εκτιμάται πώς η θερμοκρασία προθέρμανσης επηρεάζει το πάχος της. Να σημειωθεί ότι για κάθε θερμοκρασία προθέρμανσης έγιναν δύο μικροσκληρομετρήσεις σε δύο διαφορετικά σημεία της ραφής κάνοντας τα αποτελέσματα πιο ασφαλή. Οι μετρήσεις της απόστασης ξεκίνησαν μεαρχή (0 μm) για τη μέτρηση στο εναποτιθέμενο μέταλλο (ΕΜ), και τελείωσανμε τη βοήθεια μιας νοητής ευθείας στην τελευταία μέτρηση στη σειρά, στο βασικό μέταλλο (ΒΜ). Ενδιάμεσα υπάρχει η ΖΕΘ, το μήκος της οποίας επιχειρείται να μετρηθεί. 49

50 Σκληρότητα HV Στον Πίνακα 4 παρουσιάζονται ο μέσος όρος των μικροσκληρομετρήσεων για δύο προφίλ μετρήσεων κατά τη φορά διάδοσης της θερμότητας συγκόλλησης (90 Α). Πίνακας 4: Μετρήσεις μικροσκληρότητας και απόστασης στα δοκίμια συγκόλλησης στα 90 Α 90 Α Μικροσκληρότητα Απόσταση (μm) (Vickers) Μέτρηση 1 η Μέτρηση 2 η ,57 Μέτρηση 3 η 630,5 96,24 Μέτρηση 4 η 249,5 116,72 Μέτρηση 5 η ,83 Στο Σχήμα 5 παρουσιάζεται το διάγραμμα διακύμανσης της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης για τα δοκίμια συγκολλήσης στα 90 Α. Σκληρότητα ως προς την απόσταση , , ,57 96,24 116,72 151,83 Απόσταση μm Σχήμα 5: Διάγραμμα διακύμανσης της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης στα 90 Α. 50

51 Συγκόλληση στα 100 Α Στην Εικόνα 33 παρουσιάζεται η μικροδομή του δοκιμίου που υπέστη συγκόλληση στα 100Α. Φαίνεται χαρακτηριστικά η γραμμή ραφής μεταξύ του βασικού μετάλλου (ΒΜ) και του εναποτιθέμενου μετάλλου (ΕΜ) και ξεχωρίζουν οι περιοχές αυτές αλλά και η ζώνη επηρεασμού θερμότητας (ΖΕΘ). Εικόνα 33: Μικροδομή της συγκόλλησης στα 100 Α (200Χ) 51

52 Στην Εικόνα 34 παρουσιάζεται η μικροδομή της ραφής του ίδιου δοκιμίου σε μεγαλύτερη μεγένθυνση. Σε αυτήν περιλαμβάνονται και οι μικροσκληρομετρήσεις πουπραγματοποιήθηκαν, έτσι ώστε να γίνεται πιο κατανοητή στον αναγνώστη η διακύμανση στην σκληρότητα της συγκεκριμένης περιοχής. Εικόνα 34: Μικροδομή μικροσκληρότητας συγκόλλησης στα 100 Α (500Χ) Στον Πίνακα 5 παρουσιάζονται ο μέσος όρος των μικροσκληρομετρήσεων για δύο προφίλ μετρήσεων κατά τη φορά διάδοσης της θερμότητας συγκόλλησης (100 Α). Πίνακας 5: Μετρήσεις μικροσκληρότητας και απόστασης στα δοκίμια συγκόλλησης στα 100 Α 100 Α Μικροσκληρότητα Απόσταση (μm) (Vickers) Μέτρηση 1 η Μέτρηση 2 η ,20 Μέτρηση 3 η 554,5 83,94 Μέτρηση 4 η ,52 Μέτρηση 5 η 250,5 161,57 52

53 Σκληρότητα HV Στο Σχήμα 6 παρουσιάζεται το διάγραμμα διακύμανσης της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης για τα δοκίμια συγκολλήσης στα 100 Α. Σκληρότητα ως προς την απόσταση , , ,2 83,94 119,52 161,57 Απόσταση μm Σχήμα 6: Διάγραμμα διακύμανσης της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης στα 100 Α Συγκόλληση στα 110 Α Στην Εικόνα 35 παρουσιάζεται η μικροδομή του δοκιμίου που υπέστη συγκόλληση στα 110Α. Φαίνεται χαρακτηριστικά η γραμμή ραφής μεταξύ του βασικού μετάλλου (ΒΜ) και του εναποτιθέμενου μετάλλου (ΕΜ) και ξεχωρίζουν οι περιοχές αυτές αλλά και η ζώνη επηρεασμού θερμότητας (ΖΕΘ). Εικόνα 35: Μικροδομή της συγκόλλησης στα 110 Α (200Χ) 53

54 Στην Εικόνα 36 παρουσιάζεται η μικροδομή της ραφής του ίδιου δοκιμίου σε μεγαλύτερη μεγένθυνση. Σε αυτήν περιλαμβάνονται και οι μικροσκληρομετρήσεις πουπραγματοποιήθηκαν, έτσι ώστε να γίνεται πιο κατανοητή στον αναγνώστη η διακύμανση στην σκληρότητα της συγκεκριμένης περιοχής. Εικόνα 36: Μικροδομή μικροσκληρότητας συγκόλλησης στα 110 Α (500Χ) Στον Πίνακα 6 παρουσιάζονται ο μέσος όρος των μικροσκληρομετρήσεων για δύο προφίλ μετρήσεων κατά τη φορά διάδοσης της θερμότητας συγκόλλησης (110 Α). Πίνακας 6: Μετρήσεις μικροσκληρότητας και απόστασης στα δοκίμια συγκόλλησης στα 110 Α 110 Α Μικροσκληρότητα Απόσταση (μm) (Vickers) Μέτρηση 1 η Μέτρηση 2 η 450,5 36,58 Μέτρηση 3 η ,42 Μέτρηση 4 η 265,5 107,55 Μέτρηση 5 η ,36 54

55 Σκληρότητα HV Στο Σχήμα 7 παρουσιάζεται το διάγραμμα διακύμανσης της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης για τα δοκίμια συγκολλήσης στα 110 Α. Σκληρότητα ως προς την απόσταση , , ,58 73,42 107,55 142,36 Απόσταση μm Σχήμα 7: Διάγραμμα διακύμανσης της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης στα 110 Α Συγκόλληση στα 120 Α Στην Εικόνα 37 παρουσιάζεται η μικροδομή του δοκιμίου που υπέστη συγκόλληση στα 120Α. Φαίνεται χαρακτηριστικά η γραμμή ραφής μεταξύ του βασικού μετάλλου (ΒΜ) και του εναποτιθέμενου μετάλλου (ΕΜ) και ξεχωρίζουν οι περιοχές αυτές αλλά και η ζώνη επηρεασμού θερμότητας (ΖΕΘ). Εικόνα 37: Μικροδομή της συγκόλλησης στα 120 Α (200Χ) 55

56 Στην Εικόνα 38 παρουσιάζεται η μικροδομή της ραφής του ίδιου δοκιμίου σε μεγαλύτερη μεγένθυνση. Σε αυτήν περιλαμβάνονται και οι μικροσκληρομετρήσεις πουπραγματοποιήθηκαν, έτσι ώστε να γίνεται πιο κατανοητή στον αναγνώστη η διακύμανση στην σκληρότητα της συγκεκριμένης περιοχής. Εικόνα 38: Μικροδομήμικροσκληρότητας συγκόλλησης στα 120 Α (500Χ) Στον Πίνακα 7 παρουσιάζονται ο μέσος όρος των μικροσκληρομετρήσεων για δύο προφίλ μετρήσεων κατά τη φορά διάδοσης της θερμότητας συγκόλλησης (120 Α). Πίνακας 7: Μετρήσεις μικροσκληρότητας και απόστασης στα δοκίμια συγκόλλησης στα 120 Α 120 Α Μικροσκληρότητα Απόσταση (μm) (Vickers) Μέτρηση 1 η Μέτρηση 2 η ,29 Μέτρηση 3 η 545,5 60,81 Μέτρηση 4 η ,47 Μέτρηση 5 η 225,5 148,68 56

57 Σκληρότητα HV Στο Σχήμα 8 παρουσιάζεται το διάγραμμα διακύμανσης της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης για τα δοκίμια συγκολλήσης στα 120 Α. Σκληρότητα ως προς την απόσταση , , ,29 60,81 98,47 148,68 Απόσταση μm Σχήμα 8: Διάγραμμα διακύμανσης της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης στα 120 Α Συγκόλληση στα 130 Α Στην Εικόνα 39 παρουσιάζεται η μικροδομή του δοκιμίου που υπέστη συγκόλληση στα 130Α. Φαίνεται χαρακτηριστικά η γραμμή ραφής μεταξύ του βασικού μετάλλου (ΒΜ) και του εναποτιθέμενου μετάλλου (ΕΜ) και ξεχωρίζουν οι περιοχές αυτές αλλά και η ζώνη επηρεασμού θερμότητας (ΖΕΘ). Εικόνα 39: Μικροδομή της συγκόλλησης στα 130 Α (200Χ) 57

58 Στην Εικόνα 40 παρουσιάζεται η μικροδομή της ραφής του ίδιου δοκιμίου σε μεγαλύτερη μεγένθυνση. Σε αυτήν περιλαμβάνονται και οι μικροσκληρομετρήσεις πουπραγματοποιήθηκαν, έτσι ώστε να γίνεται πιο κατανοητή στον αναγνώστη η διακύμανση στην σκληρότητα της συγκεκριμένης περιοχής. Εικόνα 40: Μικροδομήμικροσκληρότητας συγκόλλησης στα 130 Α (500Χ) Στον Πίνακα 8 παρουσιάζονται ο μέσος όρος των μικροσκληρομετρήσεων για δύο προφίλ μετρήσεων κατά τη φορά διάδοσης της θερμότητας συγκόλλησης (130 Α). Πίνακας 8: Μετρήσεις μικροσκληρότητας και απόστασης στα δοκίμια συγκόλλησης στα 130 Α 130 Α Μικροσκληρότητα Απόσταση (μm) (Vickers) Μέτρηση 1 η Μέτρηση 2 η ,25 Μέτρηση 3 η ,54 Μέτρηση 4 η ,33 Μέτρηση 5 η ,40 58

59 Σκληρότητα HV Στο Σχήμα 9 παρουσιάζεται το διάγραμμα διακύμανσης της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης για τα δοκίμια συγκολλήσης στα 130 Α. Σκληρότητα ως προς την απόσταση ,25 92,54 128,33 170,4 Απόσταση μm Σχήμα 9: Διάγραμμα διακύμανσης της μικροσκληρότητας συναρτήσει της απόστασης στα 130 Α Συγκόλληση στα 140 Α Στην Εικόνα 41 παρουσιάζεται η μικροδομή του δοκιμίου που υπέστη συγκόλληση στα 140Α. Φαίνεται χαρακτηριστικά η γραμμή ραφής μεταξύ του βασικού μετάλλου (ΒΜ) και του εναποτιθέμενου μετάλλου (ΕΜ) και ξεχωρίζουν οι περιοχές αυτές αλλά και η ζώνη επηρεασμού θερμότητας (ΖΕΘ). Εικόνα 41: Μικροδομή της συγκόλλησης στα 140 Α (200Χ) 59

60 Στην Εικόνα 42 παρουσιάζεται η μικροδομή της ραφής του ίδιου δοκιμίου σε μεγαλύτερη μεγένθυνση. Σε αυτήν περιλαμβάνονται και οι μικροσκληρομετρήσεις πουπραγματοποιήθηκαν, έτσι ώστε να γίνεται πιο κατανοητή στον αναγνώστη η διακύμανση στην σκληρότητα της συγκεκριμένης περιοχής. Εικόνα 42: Μικροδομήμικροσκληρότητας συγκόλλησης στα 140 Α (500Χ) Στον Πίνακα 9 παρουσιάζονται ο μέσος όρος των μικροσκληρομετρήσεων για δύο προφίλ μετρήσεων κατά τη φορά διάδοσης της θερμότητας συγκόλλησης (140 Α). Πίνακας 9: Μετρήσεις μικροσκληρότητας και απόστασης στα δοκίμια συγκόλλησης στα 140 Α 140 Α Μικροσκληρότητα Απόσταση (μm) (Vickers) Μέτρηση 1 η 245,5 0 Μέτρηση 2 η ,96 Μέτρηση 3 η 412,5 75,24 Μέτρηση 4 η ,32 Μέτρηση 5 η ,48 60