2.1 ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΣΗΣΕ ΣΩΝ ΜΕΣΑΛΛΩΝ

Transcript

1 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ 2.1 ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΣΗΣΕ ΣΩΝ ΜΕΣΑΛΛΩΝ 1. Δομή ηφν ηοιτείφν Θ βαςικι ατομικι δομι αποτελείται από τον πυρινα μαηί με τα πρωτόνια (Θετικά φορτιςμζνα) και τα νετρόνια (θλεκτρικά ουδζτερα) κακϊσ και τα θλεκτρόνια (αρνθτικά φορτιςμζνα) θλεκτρόνια μαηί ςχθματίηουν τθν φλθ ενόσ πρωτονίου θ ενόσ νετρονίου, αντιςτοίχωσ, δθλ. ςχεδόν όλθ θ φλθ ενόσ ατόμου είναι ςυγκεντρωμζνθ ςτο πυρινα. Σφμφωνα με τθν Κβαντικι κεωρία, θ πικανότθτα εμφάνιςθσ ςτθν ατομικι ςτοιβάδα (τροχιά) μπορεί να κακοριςτεί για κάκε θλεκτρόνιο. Επομζνωσ, θ ατομικι ςτοιβάδα μπορεί να επεξθγθκεί ωσ θ κατανομι τθσ πυκνότθτασ του θλεκτρονίου και όχι, όπωσ ςφμφωνα με τθ Θεωρία του Bohr, ωσ μια διάταξθ θλεκτρονίων που κινοφνται ςε ακριβϊσ προκακοριςμζνα μονοπάτια. Μποροφμε να φανταςτοφμε τισ τροχιζσ ωσ ζνα διαςκορπιςμζνο ςφννεφο του οπoίου οι διαςτάςεισ και το ςχιμα είναι κακοριςμζνεσ για κάκε θλεκτρόνιο. Σφμφωνα με τθ κβαντικι μθχανικι θ ατομικι ςτοιβάδα είναι κατανοθτι ωσ ζνα ςφςτθμα επιτρεπόμενων ενεργειακϊν επιπζδων. Αυτό ςθμαίνει ότι τα θλεκτρόνια επιτρζπεται να υιοκετιςουν μόνο κακοριςμζνεσ τιμζσ ενζργειασ. Αυτά τα επιτρεπόμενα ενεργειακά βιματα ταξινομοφνται ςφμφωνα με ζνα κακοριςμζνο ςχιμα που περιγράφεται χρθςιμοποιϊντασ τουσ κβαντικοφσ αρικμοφσ. Διακρίνεται μεταξφ του κφριου κβαντικοφ αρικμοφ, του κβαντικοφ αρικμοφ τροχιάσ, του μαγνθτικοφ κβαντικοφ αρικμοφ και του κβαντικοφ αρικμοφ ςτροφορμισ. Σφμφωνα με τθν αρχι Pauli ο αρικμόσ των ατόμων που είναι κατανεμθμζνα ςε αυτά τα ενεργειακά επίπεδα ορίηεται από το τακτικό αρικμθτικό Η. Αυτι θ αρχι δθλϊνει ότι ςε ζνα άτομο ι ςε μία ατομικι ζνωςθ δεν πρζπει να υπάρχει αντιςτοιχία μεταξφ δφο θλεκτρονίων ςε οποιοδιποτε από τουσ τζςςερισ κβαντικοφσ αρικμοφσ. Ουςιαςτικά όλεσ οι χθμικζσ, θλεκτρικζσ και μαγνθτικζσ ιδιότθτεσ των ςτοιχείων μποροφν να εξθγθκοφν μζςω τθσ διάταξθσ των θλεκτρονίων. Εξετάηοντασ το ςυνολικό μζγεκοσ ενόσ ατόμου ςε ςχζςθ με το μζγεκοσ του πυρινα του βλζπουμε ότι θ μάηα ςε ζνα άτομο δεν είναι κατανεμθμζνθ ομοιόμορφα ςε όλθ τθν ζκταςθ του ατόμου. Μζγεκοσ των ατόμων: Διάμετροσ πυρινα: = m, Διάμετροσ ςτοιβάδασ = m /19

2 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Αυτό ςθμαίνει ότι ζνα άτομο που ζχει διάμετρο 5 m κα είχε διάμετρο πυρινα 0.05 mm. Ζνα τμιμα ενόσ ςτοιχείου με πυρινα, μεγζκουσ μιασ κεφαλισ καρφίτςασ κα είχε μάηα 10,000 t. Το περιοδικό ςφςτθμα των ςτοιχείων είναι ζνασ πίνακασ που περιζχει όλα τα φυςικά και τεχνθτά παραγόμενα ςτοιχεία διατεταγμζνα ςφμφωνα με τον αρικμό τθσ ατομικισ τουσ μάηασ ζτςι ϊςτε τα ςυγγενικά χθμικά ςτοιχεία να είναι το ζνα κάτω από το άλλο. Θ ςειρά των ςτοιχείων κακορίηεται από τον ατομικό αρικμό Z που είναι ίδιοσ με τον αρικμό των πρωτονίων ι των θλεκτρονίων των ςτοιχειωδϊν ατόμων, αντίςτοιχα. Σε ζνα κατάλλθλα διαταγμζνο περιοδικό ςφςτθμα θ δομι των εξωτερικϊν ςτοιβάδων του κάκε ςτοιχείου γίνεται αμζςωσ φανερι. 2. Είδη Δεζμών ζηα ηερεά ώμαηα Στα υλικά, τα άτομα του ίδιου ι διαφορετικοφ τφπου είναι ςυνδεδεμζνα το ζνα με το άλλο. Θ απόςταςθ των ατόμων από το ζνα ςτο άλλο είναι αποτζλεςμα του ςθμείου τομισ των δυνάμεων που απωκοφν το ζνα το άλλο (δφναμθ Coulomb μεταξφ των ατομικϊν ςτοιβάδων) και αυτϊν που ζλκουν το ζνα με το άλλο (ελκτικι δφναμθ). Θ διαφορά τουσ κακορίηει το μζγεκοσ τθσ δφναμθσ επαναφοράσ για μία επιβαλλόμενθ αλλαγι τθσ ατομικισ απόςταςθσ. Με ςκοπό να υπάρχει ζνασ ςτακερόσ δεςμόσ, θ (δυνθτικι) ενζργεια τθσ ατομικισ ζνωςθσ κα πρζπει να είναι χαμθλότερθ από τθν ενζργεια των μεμονωμζνων ςυςτατικϊν, διαχωριςμζνα το ζνα με το άλλο, δθλ. πρζπει να είναι ςτο ελάχιςτο. Σφμφωνα με τθν κβαντικι κεωρία, μία διαφοροποίθςθ των διαφορετικϊν τφπων δεςμϊν αυςτθρά μιλϊντασ δεν μπορεί να διατθρθκεί. Για να μπορεί να εξθγθκεί ο μθχανιςμόσ των δεςμϊν όςο πιο απλά γίνεται, κα επεξθγθκοφν παρακάτω τρείσ τφποι δεςμϊν οι οποίοι αποτελοφν ειδικζσ περιπτϊςεισ ενόσ ομοιόμορφου μθχανιςμοφ δεςμοφ ςφμφωνα με τθν κβαντικι μθχανικι. Ιοντικόσ δεςμόσ Ο ιοντικόσ δεςμόσ χαρακτθρίηεται από το ότι τα κετικά φορτιςμζνα ιόντα αςκοφν μία οριςμζνθ ελκτικι δφναμθ ςτα αρνθτικά φορτιςμζνα ιόντα και αντίςτροφα. Εφόςον θ δφναμθ είναι θ ίδια προσ κάκε κατεφκυνςθ αυτόσ ο δεςμόσ ονομάηεται μθ κατευκυνόμενοσ. Χρθςιμοποιϊντασ ςαν παράδειγμα τθν ζνωςθ NaCl το νάτριο δίνει ζνα θλεκτρόνιο και το άτομο του χλωρίου παίρνει ζνα θλεκτρόνιο, ζτςι μεταςχθματίηονται ςε μία διαφορετικι κατάςταςθ δεςμοφ. Και τα δφο από τα οριακά δυναμικά των ατόμων επικαλφπτουν το ζνα το άλλο. Το τελικό ακροιςτικό δυναμικό είναι ενεργειακά χαμθλότερο από τα οριακά δυναμικά των ατόμων. Από αυτι τθ λιψθ ενζργειασ ςχθματίηεται ο ςτακερόσ δεςμόσ του NaCl. Τα ςχθματιηόμενα κατιόντα και ανιόντα ςυγκρατοφνται με ιςχυρζσ ελκτικζσ δυνάμεισ θλεκτροςτατικισ φφςθσ. Ο δεςμόσ αυτόσ αναπτφςςεται ανάμεςα ςε ζνα πολφ θλεκτροκετικό και ζνα πολφ θλεκτροαρνθτικό ςτοιχείο. Πςο μεγαλφτερθ είναι θ διαφορά 2.1-2/19

3 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ τθσ θλεκτροαρνθτικότθτασ των ςτοιχείων που αντιδροφν τόςο ςτακερότερθ είναι θ ετεροπολικι ζνωςθ που ςχθματίηεται και τόςο πιο ψθλό το ςθμείο ηζςθσ που ζχει. Σχήμα 1. Σχθματικι αναπαράςταςθ ιοντικοφ δεςμοφ. Ατομικόσ (ομοιοπολικόσ) δεςμόσ Τα άτομα ςχθματίηουν κοινά ηεφγθ θλεκτρονίων από τα θλεκτρόνια του περιβλιματοσ με ςκοπό να γεμίςουν τθν εξωτερικι τουσ ςτοιβάδα. Αυτά μποροφν να είναι ζνα (Cl 2 ), δφο (O 2 ) ι τρία (N 2 ) κοινά ατομικά ηεφγθ. Το αποτζλεςμα είναι ζνασ δυνατόσ και επίςθσ άμεςοσ δεςμόσ εξαιτίασ των γωνιϊν του δεςμοφ. Για πολλά μόρια, θ ςυνειςφορά θλεκτρονίων επιτρζπει κάκε άτομο να αποκτά το ιςοδφναμο τθσ εξωτερικισ ςτιβάδασ ενόσ ευγενοφσ αερίου, που αντιπροςωπεφει μια ςτακερι θλεκτρονιακι διαμόρφωςθ. Σχήμα 2. Σχθματικι αναπαράςταςθ ατομικοφ δεςμοφ /19

4 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Μεταλλικόσ Δεςμόσ Τα ςτοιχεία με μικρό αρικμό θλεκτρονίων ςτθν εξωτερικι ςτοιβάδα, τα παραδίδουν ωσ ομοιόμορφα διανεμθμζνα, ελεφκερο κινοφμενο θλεκτρικό νζφοσ. Τα θλεκτρόνια του περιβλιματοσ ζτςι παραμζνουν ςτο δεςμό και κρατοφν τα κετικά μεταλλικά κατιόντα μαηί. Ο δεςμόσ είναι ολικόσ και μθ κατευκυνόμενοσ. Στα άτομα των μεταλλικϊν ςτοιχείων τα θλεκτρόνια ςκζνουσ είναι χαλαρά ςυνδεδεμζνα με τον πυρινα. Αποτζλεςμα αυτοφ είναι ότι τα θλεκτρόνια ςκζνουσ μετακινοφνται εφκολα από τον ζναν πυρινα ςτον άλλο και είναι κατά ζναν τρόπο κοινό "κτιμα" όλων των ατόμων. Κατά τθν ελεφκερθ μετάβαςθ των θλεκτρονίων από πυρινα ςε πυρινα κάκε ζνασ πυρινασ φορτίηεται προσ ςτιγμιν κετικά. Αυτό δθμιουργεί θλεκτροςτατικζσ ζλξεισ μεταξφ αυτϊν των πυρινων και των ελευκζρωσ κινοφμενων θλεκτρονίων. Οι ζλξεισ αυτζσ ςυγκρατοφν τουσ πυρινεσ μεταξφ τουσ. Δεδομζνου δε ότι το θλεκτρικό ρεφμα είναι κίνθςθ θλεκτρονίων και ότι ςτα μζταλλα τα θλεκτρόνια μετακινοφνται ελεφκερα, τα μζταλλα είναι καλοί αγωγοί του θλεκτριςμοφ. 3. Δομή ηφν ηερεών φμάηφν Σφμφωνα με τθ διάταξθ των ατόμων ζνα ςτακερό ςϊμα ζχει δομι άμορφθ ι κρυςταλλικι: Άμορφο ςθμαίνει αςχθμάτιςτο, τα άτομα δεν είναι διαταγμζνα ςφμφωνα με κάποιο ςυγκεκριμζνο κανόνα, όπωσ π.χ. ςυμβαίνει με το γυαλί. Οι άμορφεσ ουςίεσ παρουςιάηουν τθν ίδια ςυμπεριφορά ςε όλεσ τισ διανυςματικζσ τουσ ιδιότθτεσ, θ κατάςταςθ τουσ ονομάηεται ιςοτροπικι. Κρυςταλλικό ςθμαίνει ότι τα άτομα είναι διαταγμζνα ςφμφωνα με ζνα ςυγκεκριμζνο κανόνα, δθλ. ζχουν μία χωρικά περιοδικι δομι. Αυτό το πλζγμα μπορεί να κεωρθκεί ωσ μια επαναλαμβανόμενθ διάταξθ μιασ ςτοιχειϊδουσ κυψελίδασ γφρω από τουσ χωρικοφσ άξονεσ. Θ ςτοιχειϊδθσ κυψελίδα αποτελεί κυρίωσ ζνα πολφ μικρό χωρικό ςτοιχείο κατάλλθλο για τθν περίπτωςθ. Το μικοσ των ακμϊν μιασ ςτοιχειϊδουσ κυψελίδασ ονομάηεται ςτακερά του πλζγματοσ. Θ κατάςταςθ των κρυςτάλλων είναι ανιςοτροπικι το οποίο ςθμαίνει ότι οι διανυςματικζσ τουσ ιδιότθτεσ είναι κατευκυνόμενεσ ςε μία ςυγκεκριμζνθ φορά. Υπάρχουν 7 κρυςταλλικά ςυςτιματα που μποροφν να διακρικοφν ςφμφωνα με τισ 3 ςτακερζσ πλζγματοσ και τισ γωνίεσ μεταξφ των αξόνων. Τρικλινζσ: a b c α β γ 90 Μονοκλινζσ: a b c α = β = 90 γ Ορκορομβικό: a b c α = β = γ = 90 ομβοεδρικό a = b = c α = β = γ 90 Εξαγωνικό: a = a1 = a2 c α = 120, β = γ = /19

5 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Τετραγωνικό: a = b c α = β = γ = 90 Κυβικό: a = b = c α = β = γ = 90 Σχήμα 3. Άμορφο (αριςτερά) και κρυςταλλικό (δεξιά) ςτερεά ςϊματα. Το κάκε ζνα από τα επτά κφρια κρυςταλλικά ςυςτιματα που αναφζρεται παραπάνω, ζχει επιμζρουσ κρυςταλλικά πλζγματα. Συνολικά υπάρχουν 14 διαφορετικά κρυςταλλικά πλζγματα. Θ δομι κάκε κρυςταλλικοφ υλικοφ φυςικοφ ι τεχνθτοφ, μπορεί να ταξινομθκεί ςε κάποιο από αυτά τα κρυςταλλικά ςυςτιματα και πλζγματα. Ρ.χ το κυβικό κρυςταλλικό ςφςτθμα χωρίηεται επιμζρουσ ςτο κυβικό χωροκεντρωμζνο (bcc) πλζγμα και ςτο κυβικό εδροκεντρωμζνο (fcc) πλζγμα τα οποία μαηί με το εξαγωνικό (hex) κρυςταλλικό ςφςτθμα είναι τα ςυςτιματα που κυρίωσ κρυςταλλϊνονται τα μζταλλα. Οι ιδιότθτεσ αυτϊν των κρυςταλλικϊν ςυςτθμάτων αναλφονται παρακάτω: Κυβικό χωροκεντρωμζνο Θ διάταξθ των ατόμων ςε αυτό το ςφςτθμα φαίνεται παρακάτω ςτο ςχιμα 4. Θ κυβικι χωροκεντρωμζνθ ςτοιχειϊδθσ κυψελίδα ζχει 8 άτομα ςτισ γωνίεσ και ζνα άτομο ςτο κζντρο του κφβου. Λαμβάνοντασ υπόψθ ότι ζνα άτομο μπορεί να ανικει ςε περιςςότερεσ από μία κυψελίδεσ, τότε γίνεται φανερό ότι ζνα άτομο που βρίςκεται ςε κορυφι τθσ κυβικισ κυψελίδασ ανικει ταυτόχρονα ςε οκτϊ κυψελίδεσ, ζνα άτομο που βρίςκεται ςτο κζντρο μιασ ζδρασ τθσ κυβικισ κυψελίδασ ανικει ταυτόχρονα ςε δφο κυψελίδεσ, ενϊ ζνα ςθμείο που βρίςκεται ςτο κζντρο τθσ κυβικισ κυψελίδασ ανικει εξολοκλιρου ςε μία κυψελίδα. Με βάςθ τα παραπάνω για τθν ςτοιχειϊδθ κυψελίδα τθσ κυβικά χωροκεντρωμζνθσ δομισ απαιτοφνται: 8 1/8 +1 = 2 άτομα Σε αυτι τθν δομι κρυςταλλϊνονται θ α-, δ- μορφι του ςιδιρου, το χρϊμιο, ο μόλυβδοσ, το βανάδιο, το ταντάλιο και το βολφραμίο /19

6 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Θ πυκνότθτα πλιρωςθσ για αυτι τθν δομι υπολογίηεται ωσ ο λόγοσ των όγκων των ατόμων ςτθν κυψελίδα προσ τον όγκο τθσ μοναδιαίασ κυψελίδασ και είναι ίςοσ με 0.68 Κυβικό εδροκεντρωμζνο Θ διάταξθ των ατόμων ςε αυτό το ςφςτθμα φαίνεται παρακάτω ςτο ςχιμα 5. Θ κυβικι χωροκεντρωμζνθ ςτοιχειϊδθσ κυψελίδα ζχει 8 άτομα ςτισ γωνίεσ και από ζνα άτομο ςτο Σχήμα 4. Διάταξθ ατόμων ςτθν κυβικά χωροκεντρωμζνθ δομι. κζντρο τθσ κάκε ζδρασ του κφβου, δθλαδι για τθν ςτοιχειϊδθ κυψελίδα τθσ κυβικά εδροκεντρωμζνθσ δομισ απαιτοφνται: 8 1/ /2 = 4 άτομα Σε αυτι τθ δομι κρυςταλλϊνονται θ: γ- μορφι του ςιδιρου, το αλουμίνιο, το νικζλιο, ο χαλκόσ, ο χρυςόσ, το ιρίδιο και ο λευκόχρυςοσ. Θ πυκνότθτα πλιρωςθσ για αυτι τθν δομι υπολογίηεται ωσ ο λόγοσ των όγκων των ατόμων ςτθν κυψελίδα προσ τον όγκο τθσ μοναδιαίασ κυψελίδασ και είναι ίςοσ με /19

7 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Εδροκεντρωμζνο Εξαγωνικό Θ διάταξθ των ατόμων ςτο εδροκεντρωμζνο εξαγωνικό ςφςτθμα φαίνεται ςτο ςχιμα 6. Θ εξαγωνικι εδροκεντρωμζνθ ςτοιχειϊδθσ κυψελίδα ζχει 6 άτομα ςτισ γωνίεσ και από ζνα άτομο ςτοκζντρο τθσ κάκε ζδρασ του κφβου, δθλαδι για τθν ςτοιχειϊδθ κυψελίδα τθσ εξαγωνικάεδροκεντρωμζνθσ δομισ απαιτοφνται: 12 1/6 + 2 ½ + 3 = 6 άτομα Θ πυκνότθτα πλιρωςθσ για αυτι τθν δομι υπολογίηεται ωσ ο λόγοσ των όγκων των ατόμων ςτθν κυψελίδα προσ τον όγκο τθσ μοναδιαίασ κυψελίδασ και είναι ίςοσ με Σχήμα 5. Διάταξθ ατόμων ςτθν κυβικά εδροκεντρωμζνθ δομι. Θ πυκνότθτα πλιρωςθσ για τισ κυψελίδεσ του απλοφ κυβικοφ και του απλοφ εξαγωνικοφ ςυςτιματοσ είναι 0.52 και 0.61 αντίςτοιχα. Κάποια μζταλλα ζχουν διαφορετικζσ δομζσ πλζγματοσ που εξαρτϊνται από τθ κερμοκραςία, τισ ονομαηόμενεσ αλλοτροπικζσ μορφζσ. Ξεκινϊντασ από τθ χαμθλότερθ κερμοκραςία, οι τροποποιιςεισ ονομάηονται με τα γράμματα τθσ Ελλθνικισ Αλφαβιτου (παράδειγμα α-iron ςε δ-iron) /19

8 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Σχήμα 6. Διάταξθ ατόμων ςτθν εξαγωνικά εδροκεντρωμζνθ δομι. Άλλα μεγζκθ που μασ δίνουν πλθροφορίεσ για τθν πυκνότθτα ενόσ κρυςταλλικοφ πλζγματοσ είναι θ παράμετροσ πλζγματοσ και ο αρικμόσ ςυνδιάταξθσ. Θ παράμετροσ πλζγματοσ είναι ζνα μζγεκοσ που ςυνδζει τθν ακτίνα των ατόμων με το μζγεκοσ τθσ μοναδιαίασ κυψελίδασ και υπολογίηεται λαμβάνοντασ υπόψθ τισ πυκνζσ διευκφνςεισ κάκε κυψελίδασ. Ρυκνζσ διευκφνςεισ (close packed directions) ονομάηονται οι διευκφνςεισ κατά μικοσ των οποίων τα άτομα εφάπτονται μεταξφ τουσ. Αποδεικνφεται ότι θ παράμετροσ πλζγματοσ για το χωροκεντρωμζνο κυβικό ςφςτθμα είναι α 0 = 4r/, ενϊ για το εδροκεντρωμζνο κυβικό είναι α0 = 4r/ 2. Ο αρικμόσ των ατόμων που εφάπτονται με ζνα ςυγκεκριμζνο άτομο, ι αλλιϊσ ο αρικμόσ των κοντινότερων γειτόνων ενόσ ατόμου ονομάηεται αρικμόσ ςυνδιάταξθσ (coordination number) και είναι μία ζνδειξθ του πόςο πυκνά είναι τοποκετθμζνα τα άτομα μεταξφ τουσ και του πόςο αποδοτικά γεμίηουν τον χϊρο που τουσ διατίκεται. Ο αρικμόσ ςυνδιάταξθσ ςτο χωροκεντρωμζνο κυβικό ςφςτθμα ιςοφται με 8 και ςτο εδροκεντρωμζνο κυβικό ςφςτθμα με 12. Στο εδροκεντρωμζνο εξαγωνικό ςφςτθμα είναι ίςοσ επίςθσ με 12. Οι δομζσ του πλζγματοσ των μετάλλων μποροφν να προςδιοριςτοφν χρθςιμοποιϊντασ τεχνικζσ περίκλαςθσ ακτίνων Χ. Υπό τθν επίδραςθ υψθλϊν διατμθτικϊν τάςεων, οι μεμονωμζνεσ κρυςταλλικζσ περιοχζσ μποροφν να μετατοπιςτοφν θ μια ωσ προσ τθν άλλθ ςε ζνα πάχοσ αρκετϊν ατομικϊν επιπζδων. Το εφαρμοηόμενο φορτίο ζχει μία οριακι τιμι θ οποία εάν ξεπεραςτεί θ παραμόρφωςθ αυτι είναι μόνιμθ και λζγεται πλαςτικι, ενϊ κάτω από αυτιν τθν τιμι θ παραμόφωςθ είναι προςωρινι και λζγεται ελαςτικι /19

9 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Σχήμα 7. Σχθματικι αναπαράςταςθ ελαςτικισ και πλαςτικισ παραμόρφωςθσ. Τα κρυςταλλογραφικά επίπεδα απεικόνιςθσ και οι διευκφνςεισ όπου εμφανίηεται ολίςκθςθ ονομάηονται επίπεδα ολίςκθςθσ ι διευκφνςεισ ολίςκθςθσ, αντίςτοιχα, και τα δφο ονομάηονται ςυςτιματα ολίςκθςθσ. Γενικά, τα επίπεδα με τθν πιο κοντινι κατανομι των ατόμων (πυκνζσ διευκφνςεισ close packed directions) εξυπθρετοφν ωσ επίπεδα ολίςκθςθσ ι διευκφνςεισ επειδι εδϊ θ οριακι τάςθ διάτμθςθσ είναι θ χαμθλότερθ. Ρροαπαιτοφμενα για τθν ολίςκθςθ υπό εφελκυςμό είναι ότι εκτόσ από τθν επαρκϊσ υψθλι τάςθ διάτμθςθσ υπάρχουν επίπεδα ολίςκθςθσ με γωνίεσ μικρότερεσ των 45 ςτθν κατεφκυνςθ του εφελκυςμοφ. Τα εδροκεντρωμζνα κυβικά ςυςτιματα ζχουν ζνα ςφνολο από 12 ςυςτιματα ολίςκθςθσ ζτςι ϊςτε τα μζταλλα που ζχουν αυτι τθ δομι να διακρίνονται από μία καλι διαμορφωτικι ικανότθτα. Σε αντίκεςθ με αυτό, υπάρχουν μόνο τρία ςυςτιματα ολίςκθςθσ ςτο εξαγωνικό ςφςτθμα, όπου τα βαςικά επίπεδα μποροφν να παρατθρθκοφν ωσ επίπεδα ολίςκθςθσ. Επιπρόςκετα, 2.1-9/19

10 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ το πριςματικό επίπεδο που παρουςιάηεται ςτο ςχιμα 8 φαίνεται να είναι επίπεδο ολίςκθςθσ. Είναι γεγονόσ ότι ζνα χωροκεντρωμζνο κυβικό ςφςτθμα ζχει 48 επίπεδα ολίςκθςθσ αλλά δεν μποροφν να χρθςιμοποιθκουν ωσ ιςότιμα αποτελεςματικά, ζτςι τα μζταλλα που ζχουν αυτό το είδοσ δομισ ταξινομοφνται μεταξφ των άλλων δφο ςυςτθμάτων ωσ προσ τθν παραμόρφωςθ. Θ κοντινότερθ πυκνι διεφκυνςθ ςε αυτό το ςφςτθμα είναι θ διαγϊνιοσ του κφβου αλλά διαφορετικά επίπεδα ολίςκθςθσ είναι πικανά. Θ ολίςκθςθ των ατόμων μπορεί να παρεμποδιςτεί πλιρωσ όταν τα επίπεδα ολίςκθςθσ ςε γωνία 45 ωσ προσ τθν κατεφκυνςθ τθσ τάςθσ δεν είναι δυνατό να κινθκοφν. Οι διάφοροι ςχθματιςμοί των κραματικϊν ςτοιχείων ι οι διαταραχζσ μποροφν να λειτουργιςουν ωσ εμπόδια ςτθν ολίςκθςθ των επιπζδων ςε αυτι τθν περίπτωςθ. Αν θ κίνθςθ των επίπεδων ολίςκθςθσ αποκλειςτεί πλιρωσ, δεν αποκτάται θ απαιτοφμενθ τάςθ διάτμθςθσ και το υλικό καταλιγει ςε μία ψακυρι ρωγμάτωςθ. 4. Αηέλειες Πλέγμαηος Κατά τθ διάρκεια τθσ ςτερεοποίθςθσ ενόσ μετάλλου ι ενόσ κράματοσ μετάλλου θ κρυςταλοποίθςθ πραγματοποιείται από το γεγονόσ ότι τα άτομα διατάςςονται κατά τισ πυκνζσ διευκφνςεισ. Οι πρϊτοι κρφςταλλοι τθσ ςτερεοποίθςθσ μεγαλϊνουν ενϊ άγουν κερμότθτα ζωσ ότου παραχκεί μία δομι κόκκων ι κρυςτάλλων που μεγαλϊνει τριςδιάςτατα ςε διαφορετικζσ κατευκφνςεισ. Κακζνασ από τουσ κόκκουσ του υλικοφ απαρτίηεται από μία τριςδιάςτατθ περιοδικι διάταξθ ατόμων, ςχθματίηοντασ ζτςι ζνα χωρικό πλζγμα. Αυτζσ οι διατάξεισ ονομάηονται πολυκρφςταλλοι. Οι ομογενείσ πολυκρφςταλλοι διακζτουν ζνα τφπο κόκκου μόνο, ενϊ οι ετερογενείσ διακζτουν διάφορουσ τφπουσ. Κόκκοι του ίδιου τφπου διαχωρίηονται ο ζνασ από τον άλλο από το μοριακό διάκενο, ενϊ οι κόκκοι διαφορετικϊν τφπων διαχωρίηονται με όρια φάςεων. Σχήμα 8. Ραραδείγματα επιπζδων ολίςκθςθσ ςτο εξαγωνικό, εδροκεντρωμζνο κυβικόχωροκεντρωμζνο κυβικό ςφςτθμα /19

11 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Ακόμα και τα κακαρά μζταλλα δεν ζχουν ιδανικι δομι ατομικοφ πλζγματοσ κατά τθ διάρκεια τθσ ςτερεοποίθςθσ, δθλ. υπάρχουν ατζλειεσ μικρότερθσ ι μεγαλφτερθσ ζκταςθσ, που ονομάηονται και αταξίεσ πλζγματοσ. Οι ατζλειεσ ςε ζνα χωρικό πλζγμα μποροφν να διακρικοφν ςφμφωνα με τα γεωμετρικά τουσ χαρακτθριςτικά όπωσ ακολουκεί : Σθμειακζσ Μονοδιάςτατεσ ι γραμμικζσ Δυςδιάςτατεσ ι επίπεδεσ Τριςδιάςτατεσ ι χωρικά εκτεταμζνεσ ατζλειεσ πλζγματοσ. Θ διάςταςθ δείχνει τθν ζκταςθ των ατελειϊν του πλζγματοσ που υπερβαίνουν τισ ατομικζσ διαςτάςεισ. Οι ατζλειεσ πλζγματοσ με γραμμικό ςχιμα για παράδειγμα ζχουν μεγάλεσ διαςτάςεισ ςε μία κατεφκυνςθ, ςτισ κατευκφνςεισ κάκετα ςε αυτι, ζχουν ατομικζσ διαςτάςεισ μόνο. Ριο ςυγκεκριμζνα τα παρακάτω ςχιματα δείχνουν με μεγαλφτερθ λεπτομζρεια τουσ τφπουσ και τθν μορφι των διαφόρων αςυνεχειϊν: Σχήμα 9. Τφποι ςθμειακϊν ατελειϊν. 1- Κενά, 2- Άτομα παρεμβολισ ςε ενδιάμεςεσ κζςεισ πλζγματοσ, 3- Ξζνα άτομα υποκατάςταςθσ, 4- Ξζνα άτομα παρεμβολισ /19

12 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Κενά (vacancies) είναι τα ςθμεία ςε ζνα κρυςταλλικό πλζγμα που δεν ζχουν καταλθφκεί από άτομα. Ραράγονται κατά τθ διάρκεια τθσ ςτερεοποίθςθσ και τθσ πλαςτικισ παραμόρφωςθσ κακϊσ επίςθσ και από τθν επιρροι ενεργειακισ ακτινοβολίασ. Θ ςυγκζντρωςθ των κενϊν ςε ζνα κρυςταλλικό πλζγμα βρίςκεται ςε κερμοδυναμικι ιςορροπία και αυξάνεται μαηί με τθν κερμοκραςία. Εξαιτίασ τθσ γριγορθσ ψφξθσ, μπορεί να παραχκεί ςυγκζντρωςθ κενϊν κζςεων περιςςότερεσ ςε αρικμό από αυτζσ που επιτρζπει θ κατάςταςθ ιςορροπίασ. Τα άτομα παρεμβολισ αφοροφν τθν τοποκζτθςθ μθτρικϊν ατόμων ανάμεςα ςτισ πραγματικζσ κζςεισ του πλζγματοσ, δθλαδι ςε ενδιάμεςεσ κζςεισ του πλζγματοσ. Τα ξζνα άτομα (κραματικά ςτοιχεία) μπορεί να είναι τοποκετθμζνα είτε ςε ενδιάμεςεσ κζςεισ πλζγματοσ είτε ςτισ ςυνθκιςμζνεσ κζςεισ. Τα ξζνα και τα μθτρικά άτομα αποτελοφν ζνα ςυνδυαςμό με μία ακανόνιςτθ ςτατιςτικά κατανομι των ατόμων, τα ονομαηόμενα ςτερεά διαλφματα. Γενικά, διακρίνονται δφο τφποι ςτερεϊν διαλυμάτων: ςτερεά διαλφματα αντικατάςταςθσ (substitutional solid solutions) και ςτερεά διαλφματα παρεμβολισ (interstitial solid solution). Στα ςτερεά διαλφματα αντικατάςταςθσ τα μθτρικά άτομα υποκακίςτανται από ξζνα άτομα τα οποία γι αυτό το λόγο τοποκετοφνται ςτισ κανονικζσ κζςεισ πλζγματοσ. Εκεί, τα άτομα μποροφν να αλλάξουν κζςεισ πάνω ςε όλο το εφροσ ςυγκζντρωςθσ (ολικι διαλυτότθτα), υποκζτοντασ ότι ζχουν τον ίδιο τφπο πλζγματοσ και παρόμοιεσ ατομικζσ διαμζτρουσ (διαφορά μικρότερθ από το περίπου 15 %). Ραραδείγματα αποτελοφν τα ςυςτιματα Cu-Ni και Cu-Au. Ωςτόςο, υπάρχει κυρίωσ μία περιοριςμζνθ διαλυτότθτα, όπωσ το ςφςτθμα CU- Zn. Στα ςτερεά διαλφματα παρεμβολισ τα ξζνα άτομα καταλαμβάνουν ενδιάμεςεσ κζςεισ ςτο κρυςταλλικό πλζγμα. Μία περιοριςμζνθ διαλυτότθτα μεταξφ των μθτρικϊν ατόμων και των ατόμων παρεμβολισ είναι πικανι αλλά μόνο αν ο λόγοσ των ακτινϊν των ξζνων και μθτρικϊν ατόμων δεν είναι μεγαλφτεροσ από περίπου Επιπρόςκετα, πρζπει να υπάρχουν επαρκϊσ μεγάλα διάκενα πλζγματοσ ςτθν μιτρα. Ζνα παράδειγμα γι' αυτά τα ςτερεά διαλφματα είναι τα ςτοιχεία του C, N, B ι O ςτον ςίδθρο. Στθν περίπτωςθ που ςθμειακζσ ατζλειεσ ςαν αυτζσ που φαίνονται παρακάτω ςυςςωρευτοφν ςε μία περιοχι τότε ζχουμε τον ςχθματιςμό γραμμικϊν ι επίπεδων ατελειϊν ςτο κρυςταλλικό πλζγμα όπωσ φαίνεται παρακάτω ςτα ςχιματα 10 και /19

13 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Σχήμα 10. Τφποι γραμμικϊν και επίπεδων ατελειϊν. 5- γραμμικι ατζλεια που ζχει δθμιουργθκεί από μία ςειρά κενϊν κάκετα ςτο επίπεδο του ςχιματοσ, 6- γραμμικι ατζλεια που ζχει δθμιουργθκεί από τθν προςκικθ μίασ ςειρά ενδιάμεςων ατόμων κάκετα ςτο επίπεδο του ςχιματοσ, 7,8- Επίπεδεσ ατζλειεσ ςτο κρυςταλλικό πλζγμα που ζχουν δθμιουργθκεί από διάκενα λόγω διαφορετικισ κλίςθσ ςτον προςανατολιςμό δφο κρυςτάλλων. Σχήμα 11.Τφποι επίπεδων ατελειϊν επίπεδθ ατζλεια που ζχει δθμιουργθκεί από μία ςυςςϊρευςθ ξζνων ατόμων αντικατάςταςθσ, 11- επίπεδθ ατζλεια που ζχει δθμιουργθκεί από τθν ανομοιόμορφθ διάταξθ των ατόμων λόγω διαφορετικοφ προςανατολιςμοφ δφο κρυςτάλλων, 12- Επίπεδθ ατζλεια ςτο κρυςταλλικό πλζγμα από ςυςςϊρευςθ κενϊν ςε ζνα επίπεδο /19

14 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Σχήμα 12.Τφποι τριςδιάςτατων ατελειϊν. 13 διαχωριςμόσ που μπορεί να δθμιουργθκεί λόγω τθσ αλλαγισ τθσ διαλυτότθτασ των ςυςτατικϊν ενόσ ςτερεοφ διαλφματοσ, 14- ζγκλειςμα που μπορεί να δθμιουργθκεί από τθν ςυςςϊρευςθ ανεπικφμθτων φάςεων από τθν διαδικαςία παραγωγισ, 15, 16- μικρορωγμζσ, μικροπόροι. 5. ΡΟΛΟ ΣΩΝ ΔΙΑΣΑΡΑΧΩΝ Θ φπαρξθ των γραμμικϊν και επίπεδων ατελειϊν του κρυςταλλικοφ πλζγματοσ που περιγράφονται ςτισ προθγοφμενεσ παραγράφουσ, ονομάηονται διαταραχζσ και κακορίηουν πολλζσ ιδιότθτεσ των υλικϊν ι επιτρζπουν τθν πραγματοποίθςθ διαφόρων διεργαςιϊν που είναι ςθμαντικζσ για τθν τεχνολογία των υλικϊν. Γενικά, κάκε διαταραχι του πλζγματοσ οδθγεί ςε πολφ περιςςότερο ι λιγότερο ζντονεσ παραμορφϊςεισ πλζγματοσ, με ςυνζπεια τθ ςτερεοποίθςθ του υλικοφ. Επιπρόςκετα, τα κενά ευνοοφν αλλαγζσ ατόμων μθτρικϊν ι των υποκατάςτατων ατόμων και ζτςι διαδικαςίεσ διάχυςθσ ι διαδικαςίεσ ςυνδεδεμζνεσ με τθ διάχυςθ όπωσ Μεταςχθματιςμόσ Διαφοριςμόσ Αποκατάςταςθ Ανακρυςταλλωςθ Οι διαταραχζσ είναι επίςθσ ςθμαντικζσ για τθν πλαςτικι παραμόρφωςθ των κρυςταλλικϊν υλικϊν /19

15 5.1 Διεργαζίες Διάτσζης 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Διαφοροποιοφνται μεταξφ τθσ αυτο- διάχυςθσ, αλλάηοντασ τισ ατομικζσ κζςεισ ςτα κακαρά μζταλλα, και τθσ διάχυςθσ ξζνων (κραματικϊν) ςτοιχείων. Θ διάχυςθ των ςτοιχείων ςε ανάμεικτα κρφςταλλα οδθγεί ςε μεταβολι τθσ ςφςταςθσ προσ το ςθμείο κερμοδυναμικισ ιςορροπίασ. Το ποςό του υλικοφ που μεταφζρεται ανά μονάδα χρόνου διαμζςου μιασ κάκετθσ επιφάνειασ ςτθν κατεφκυνςθ διάχυςθσ εξαρτάται από τθ βακμό ςυγκζντρωςθσ, τον ατομικό τφπο και τθ κερμοκραςία. Θ αλλαγι των ατομικϊν χϊρων μπορεί να λειτουργιςει με τουσ ακόλουκουσ τρόπουσ: Διάχυςη Ατόμων Αντικατάςταςησ Οι αλλαγι των κζςεων δφο γειτονικϊν ατόμων ςε ζνα πυκνό πλζγμα απαιτεί μία ςχετικά υψθλι ενζργεια, ϊςτε αυτόσ ο μθχανιςμόσ να κεωρείται ωσ ςχετικά απίκανοσ. Διάχυςη Ατόμων Παρεμβολήσ Άτομα όπωσ ο άνκρακασ, το άηωτο και το υδρογόνο δεν απαιτοφν αταξίεσ για τισ διαδικαςίεσ διάχυςθσ ςτο χάλυβα. Εξαιτίασ του χαμθλοφ ατομικοφ τουσ μεγζκουσ, αυτά τα ενδιάμεςα άτομα μποροφν να αλλάξουν κζςεισ με μία μικρι παραμόρφωςθ του πλζγματοσ και με χαμθλι ενκαλπία ενεργοποίθςθσ. Εξαιτίασ τθσ χαμθλισ διαλυτότθτασ των ατόμων παρεμβολισ ςτα μζταλλα, ο αρικμόσ των ελεφκερων ενδιάμεςων κζςεων αυξάνεται ςτθν περιοχι των ατόμων παρεμβολισ. Συνεπϊσ, περαιτζρω διαδικαςίεσ διάχυςθσ είναι ακόμα πιο γριγορεσ ςε ςτακερζσ κερμοκραςίεσ. Επιπλζον ο βακμόσ διάχυςθσ επθρεάηεται από τθ δομι του κρυςτάλλου του υλικοφ. Ο ςυντελεςτισ διάχυςθσ ςτον α-ςίδθρο είναι περίπου εκατό φορζσ πιο υψθλόσ από αυτι ςτον γ- ςίδθρο. Ο μθχανιςμόσ αυτισ τθσ διάχυςθσ μπορεί να ςυμβεί είτε με κίνθςθ των ατόμων μζςα από τον κφριο όγκο των κόκκων ι διαμζςου των ορίων των κόκκων. Σε χαμθλζσ και μζςεσ κερμοκραςίεσ θ διάχυςθ των ατόμων παρεμβολισ μζςω των ορίων των κόκκων μπορεί να είναι πολλζσ φορζσ πιο γριγορθ από τθν αντίςτοιχθ διάχυςθ μζςα από το ςϊμα των κόκκων. Σε μεγαλφτερεσ κερμοκραςίεσ θ διάχυςθ μζςα από τον όγκο του κόκκου υπερτερεί εξαιτίασ των μικρϊν αναλογιϊν των ορίων των κόκκων ςε ςφγκριςθ με το ςυνολικό όγκο του υλικοφ. Διάχυςη με την Βοήθεια Διαταραχών Τα μθτρικά και τα άτομα αντικατάςταςθσ κατά προτίμθςθ αλλάηουν τισ κζςεισ τουσ μζςω γειτονικϊν αταξιϊν. Μετά από τθν κίνθςθ των ατόμων, θ αρχικι κζςθ του πλζγματοσ μετατρζπεται ςε αταξία, ζτςι ϊςτε τα άτομα και οι αταξίεσ να κινοφνται ςε αντίκετεσ κατευκφνςεισ. Ππωσ ιδθ αναφζρκθκε, θ ςυγκζντρωςθ των διαταραχϊν αυξάνεται με τθ κερμοκραςία. Επιπλζον θ ενζργεια ταλάντωςθσ των ατόμων αυξάνεται κατά τθ διάρκεια μίασ αυξανόμενεσ κερμοκραςίασ, ζτςι ϊςτε θ διαδικαςία διάχυςθσ ςφμφωνα με το μθχανιςμό διαταραχϊν να γίνει ευκολότερθ με μία αυξανόμενθ κερμοκραςία /19

16 5.2 Μεηαζτημαηιζμός Φάζεφν 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Θ διαδικαςία μεταςχθματιςμοφ περιλαμβάνει τθν πυρινωςθ και τθν ανάπτυξθ μίασ νζασ φάςθσ. Αν θ πυρινωςθ μπορεί να πραγματοποιθκεί ςε κάκε κζςθ του πλζγματοσ, ονομάηεται ομογενισ πυρινωςθ. Κατά τθ διάρκεια τθσ ετερογενοφσ πυρινωςθσ - που ςχεδόν αποκλειςτικά πραγματοποιείται κατά τθ διάρκεια τθσ ςυγκόλλθςθσ οι πυρινεσ κυρίωσ ςχθματίηονται ςε περιοχζσ του πλζγματοσ με ατζλειεσ όπωσ τα όρια των κόκκων, διαταραχζσ κλπ. Ο μθχανιςμόσ ανάπτυξθσ των πυρινων εξαρτάται από τον τφπο του μεταςχθματιςμοφ. Πταν για τον μεταςχθματιςμό απαιτείται ταυτόχρονθ αλλαγι ςτθν ςυγκζντρωςθ και ςτθ ςφςταςθ των ατόμων θ διάχυςθ είναι απαραίτθτθ. Σε ςχζςθ με π.χ. κατακρθμνίςεισ ι διαφοριςμοφσ ο μθχανιςμόσ τθσ διάχυςθσ μπορεί να μεταφζρει άτομα ςε μεγαλφτερεσ αποςτάςεισ. Αλλοτροπικοί μεταςχθματιςμοί, ανακρυςτάλλωςθ ι αφξθςθ του κόκκου, ωςτόςο, πραγματοποιοφνται χωρίσ ςθμαντικι αλλαγι ςτθ ςφςταςθ του ατόμου. Αν μόνο θ διάταξθ των ατόμων μεταξφ τουσ αλλάηει κατά τθν διάρκεια ενόσ μεταςχθματιςμοφ φάςθσ, δεν απαιτείται περαιτζρω κερμικι ενεργοποίθςθ μετά τθν πυρινωςθ. Θ κίνθςθ τθσ επιφάνειασ των ορίων μεταξφ του πυρινα και τθσ μιτρασ ςυνεχίηεται με μεγάλθ ταχφτθτα και είναι ανεξάρτθτθ από τθ κερμοκραςία. Ραράδειγμα τζτοιασ ακερμικισ ανάπτυξθσ είναι ο μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ. 5.3 Διεργαζίες Καηακρήμνιζης Για πολλά μθ ςιδθροφχα κράματα που δεν ζχουν αλλοτροπικζσ μορφζσ, όπωσ ςυγκεκριμζνα κράματα αλουμινίου ι κράματα με βάςθ το Νικζλιο, το Χαλκό, το Τιτάνιο ι το Κοβάλτιο μία ςκλιρυνςθ με γιρανςθ ι κατακριμνιςθ αποτελεί το μόνο τρόπο για να αυξθκεί θ αντοχι του υλικοφ. Ο μθχανιςμόσ των κατακρθμνίςεων παίηει επίςθσ ρόλο ςτισ ιδιότθτεσ ωςτενιτικϊν Cr/Ni- χαλφβων ι μαρτενιςτικϊν Ni/Cο/Mo-χάλυβων. Τζτοια κράματα είναι ςκλθρυνόμενα με τον χρόνο και ζχουν τουλάχιςτον μία φάςθ τθσ οποίασ θ διαλυτότθτα εξαρτάται από τθν κερμοκραςία. Οι ιδιότθτεσ των υλικϊν αυτϊν κατά κφριο λόγο κακορίηονται από τισ κερμικζσ κατεργαςίεσ "διαλυτοποίθςθσ βαφισ γιρανςθσ". Θ κερμικι κατεργαςία διαλφτοποίθςθσ εξυπθρετεί ςτον εμπλουτιςμό του ςτερεοφ διαλφματοσ που περιζχει τα κραματικά ςυςτατικά αποτελεςματικά για τθ ςκλιρυνςθ. Μζςω τθσ γριγορθσ ψφξθσ το ςτερεό διάλυμα που εμπλουτίηεται με κραματικά ςτοιχεία κα μεταςχθματιςτεί ςε υπερκορεςμζνθ κατάςταςθ. Επιπρόςκετα θ αυξανόμενθ ςυγκζντρωςθ αταξιϊν είναι μζνει "παγωμζνθ", ζτςι ϊςτε οι ακόλουκεσ διαδικαςίεσ διάχυςθσ να λειτουργοφν πιο εφκολα /19

17 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Κατά τθ διάρκεια τθσ ακόλουκθσ γιρανςθσ, που μπορεί να πραγματοποιθκεί ςε κερμοκραςία δωματίου ι ςε αυξθμζνεσ κερμοκραςίεσ, κα εμφανιςτοφν κατακρθμνίςεισ από το υπερκορεςμζνο διάλυμα. Αυτζσ διακρίνονται μεταξφ ςυνεκτικϊν, μερικϊσ ςυνεκτικϊν και μθ ςυνεκτικϊν κατακρθμνίςεων. Με τον όρο ςυνεκτικζσ κατακρθμνίςεισ εννοοφμε αυτζσ που το κρυςταλλικό τουσ πλζγμα είναι ςυνεκτικό με το κρυςταλλικό πλζγμα του μετάλλου τθσ μιτρασ. Μερικϊσ ςυνεκτικζσ ονομάηονται οι κατακρθμνίςεισ οι οποίεσ το κρυςταλλικό τουσ πλζγμα παρουςιάηει μερικι ςυνοχι με το πλζγμα του υπόλοιπου μετάλλου, ενϊ ςαν μθ ςυνεκτικζσ κατακρθμνίςεισ ορίηονται αυτζσ που ζχουν μια δομι πλζγματοσ ευδιακρίτωσ διαφορετικι από τθ μιτρα του κράματοσ. Τα διαλυτοποιθμζνα άτομα και οι διάφορεσ κατακρθμνίςεισ παρουςιάηουν εμπόδια για τθν κίνθςθ των διαταραχϊν, οδθγϊντασ ζτςι ςε αφξθςθ τθσ αντοχισ του κράματοσ. Ο βακμόσ τθσ αφξθςθσ τθσ αντοχισ του υλικοφ εξαρτάται από τα διάφορα κραματικά ςυςτιματα. Οι ςυνεκτικζσ και μερικϊσ ςυνεκτικζσ κακιηιςεισ οδθγοφν ςε μία υψθλι αφξθςθ τθσ αντοχισ του κράματοσ εξαιτίασ τθσ παραμόρφωςθσ του κρυςταλλικοφ πλζγματοσ. 5.4 Γήρανζη Γιρανςθ είναι θ μεταβολι οριςμζνων ιδιοτιτων των υλικϊν με το πζραςμα του χρόνου. Διακρίνεται μεταξφ τθσ γιρανςθσ με βαφι (quench aging) και τθσ εργογιρανςθσ (strain aging). Θ γιρανςθ με βαφι είναι αποτζλεςμα τθσ γριγορθσ ψφξθσ των χαλφβδων με χαμθλι περιεκτικότθτα ςε άνκρακα από τθν ωςτενιτικι ηϊνθ. Εδϊ, ο άνκρακασ δεν κατακρθμνίηεται ςαν τριτογενισ ςεμεντίτθσ ςτα ςφνορα των κόκκων,αλλά εμπλουτίηεται ςτισ κζςεισ ατελειϊν του πλζγματοσ, οδθγϊντασ ζτςι ςε φαινόμενο ςκλιρυνςθσ. Μζςω τθσ ανόπτθςθσ ςε κερμοκραςίεσ μεγαλφτερεσ από 200 C, αυτι θ αφξθςθ τθσ αντοχισ μπορεί να ουδετεροποιθκεί. Αν οι χάλυβεσ περιζχουν ζνα κακοριςμζνο ποςό αηϊτου και φωςφόρου, αυτά τα ςτοιχεία μποροφν υπό οριςμζνεσ ςυνκικεσ να κατακρθμνιςτοφν ςε μεταςτακείσ φάςεισ και να μειϊςουν ςθμαντικά τθ ςυμπεριφορά παραμόρφωςθσ, ειδικά τθν ενζργεια κροφςθσ. Αν το υλικό ζχει επιπλζον παραμορφωκεί με ψφξθ, υπάρχει μία υψθλότερθ πυκνότθτα διαταραχϊν. Γι αυτό, τα διαλυμζνα άτομα N-, P-, και C κατακρθμνίηονται ςε αυτζσ τισ διαταραχζσ οδθγϊντασ ζτςι ςτθν παρεμπόδιςθ τθσ κίνθςθσ τουσ, ζτςι ϊςτε μόλισ προκφψει παραμόρφωςθ ςε κερμοκραςίεσ από 200 ζωσ 300 C, το υλικό παρουςιάηει ςθμαντικά μειωμζνθ ολκιμότθτα. Κατά τθ διάρκεια τθσ παραπάνω διαδικαςίασ ςκλιρυνςθσ με γιρανςθ το ποςό των κακιηιςεων μπορεί να μειωκεί ενϊ το μζγεκοσ τουσ μπορεί να αυξθκεί εξαιτίασ των πολφ υψθλϊν κερμοκραςιϊν ι πολφ μεγάλων χρόνων γιρανςθσ. Μζςω αυτισ τθσ διαδικαςίασ, που επίςθσ ονομάηεται υπεργιρανςθ, θ αντοχι κα μειωκεί ξανά /19

18 5.5 Εν υστρώ καηεργαζία 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Θ ικανότθτα των κρυςταλλικϊν υλικϊν να παραμορφϊνονται πλαςτικά είναι κυρίωσ βαςιςμζνθ ςτισ διαταραχζσ. Θ πυκνότθτα των διαταραχϊν μπορεί να αυξθκεί με επιταχυνόμενθ ψφξθ ι κατά κφριο λόγο με ψυχρι παραμόρφωςθ. Με αφξθςθ του αρικμοφ τουσ, οι διαταραχζσ εμποδίηουν θ μία τθν άλλθ και θ φπαρξθ τεμνόμενων διαταραχϊν οδθγεί ςε μείωςθ τθσ κίνθςθσ τουσ. Το αποτζλεςμα είναι μία ζντονθ παραμόρφωςθ του πλζγματοσ και ωσ εκ τοφτου, ιςχυροποίθςθ του υλικοφ. Ταυτόχρονα θ ςκλθρότθτα, το όριο διαρροισ κακϊσ και θ αντοχι εφελκυςμοφ αυξάνονται και θ επιμικυνςθ τθσ κραφςθσ, θ μείωςθ τθσ διατομισ κατά τον εφελκυςμό και θ ενζργεια κροφςθσ μειϊνονται. Ππωσ ζχει ιδθ αναφερκεί ςτθν παράγραφο ςχετικά με τθ γιρανςθ, οι διαταραχζσ μπορεί να επθρεάςουν τθ ςυμπεριφορά κατακριμνιςθσ των διαλυτοποιθμζνων ατόμων που βρίςκονται ςτθν βαςικι μιτρα, κακϊσ το πεδίο τάςεων των διαταραχϊν είναι μία ευνοοφμενθ ηϊνθ κακίηθςθσ. Θ ψυχρι παραμόρφωςθ ενόσ μεταλλικοφ υλικοφ εξαιτίασ των ατελειϊν του πλζγματοσ που ειςάγονται, οδθγεί ςτθν αφξθςθ τθσ εςωτερικισ ενζργειασ και επομζνωσ θ ελεφκερθσ ενκαλπίασ. Σε μία αντίςτοιχθ παροχι κερμότθτασ αυτι θ κερμοδυναμικά αςτακισ κατάςταςθ ςτοχεφει ςτο να μειϊςει τθν ελεφκερθ ενκαλπία μζςω ανατακτοποίθςθσ και μείωςθσ των διαταραχϊν του πλζγματοσ. Τεχνικά, αυτό μπορεί να εξαςφαλιςτεί μζςω τθσ ανόπτθςθσ αποκατάςταςθσ ι ανόπτθςθσ ανακρυςτάλλωςθσ. 5.6 Ανακρσζηάλλφζη Σε υψθλότερεσ κερμοκραςίεσ οι κόκκοι ςχθματίηονται ξανά. Αυτι θ διαδικαςία ςχθματιςμοφ νζων πυρινων κρυςταλλοποίθςθσ και θ ανάπτυξθ τουσ ονομάηεται ανακρυςτάλλωςθ. Οι διαταραχζσ είναι αποτελεςματικζσ ωσ παράγοντεσ πυρινωςθσ. Επομζνωσ, ζνασ οριακόσ βακμόσ παραμόρφωςθσ του κρυςταλλικοφ πλζγματοσ είναι απαραίτθτοσ για τθν ανακρυςτάλλωςθ, κάτω από τον οποίο δεν πραγματοποιείται καμία ανακρυςτάλλωςθ. Το μζγεκοσ των κόκκων μιασ ανακρυςταλλωμζνθσ δομισ είναι εξαρτϊμενο από τον αρικμό των πυρινων και τθν ταχφτθτα ανάπτυξθσ τουσ, τα οποία τα ίδια κακορίηονται από το ρυκμό τθσ μείωςθσ τθσ ψφξθσ, τθ κερμοκραςία ανόπτθςθσ και το χρόνο διατιρθςθσ αυτισ τθσ κερμοκραςίασ. Τα ςτερεά εγκλείςματα και κατά κφριο οι κατακρθμνίςεισ φάςεων μποροφν είτε ςθμαντικά να μειϊςουν τθν πορεία ανακρυςτάλλωςθσ ι να τθν παρεμποδίςουν μερικϊσ ι ολικϊσ μζχρι μία οριςμζνθ κερμοκραςία. Για υλικά με πιο ζντονθ παραμόρφωςθ του πλζγματοσ μπορεί να προκφψει μία προςανατολιςμζνθ ανάπτυξθ μεμονωμζνων κόκκων αντί μιασ πολυμερϊσ ομοιόμορφθσ ανάπτυξισ τουσ. Αυτι θ διεργαςία λζγεται δευτερεφουςα ανακρυςτάλλωςθ. Θ αντοχι ςε εφελκυςμό και θ επιμικυνςθ τθσ κραφςθσ ενόσ ψυχρά παραμορφωμζνου υλικοφ μποροφν, /19

19 2.1 ΔΟΜΘ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΘΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ βαςιηόμενεσ ςτο βακμό ανακρυςτάλλωςθσ, να λάβουν ξανά τισ τιμζσ που είχαν πριν τθν ψυχρι παραμόρφωςθ. Θ κερμοκραςία που είναι απαραίτθτθ για τθν ανακρυςτάλλωςθ δεν είναι μία ακριβϊσ κακοριςμζνθ παράμετροσ υλικοφ, κακϊσ εξαρτάται από το βακμό παραμόρφωςθσ, τθν κατάςταςθ τθσ δομισ και γενικότερα τθ κερμικι και μθχανικι ιςτορία του υλικοφ, αντιςτοίχωσ. Συνεπϊσ, θ μζςθ κερμοκραςία ανακρυςτάλλωςθσ του αλουμινίου είναι(99.0 %) ~290 C, του μθ κραματωμζνου χάλυβα (C < 0.2 %) ~ 550 C και του νικελίου (99.4 %) ~ 600 C. Επιπρόςκετα, θ ελάχιςτθ κερμοκραςία ανακρυςτάλλωςθσ TRmin μπορεί να εκτιμθκεί ςφμφωνα με τον κανόνα Tammer-Botwar: TRmin» 0.4 TS. όπου TS είναι θ κερμοκραςία τιξθσ /19

20 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ 2.2 ΜΕΣΑΛΛΙΚΑ ΚΡΑΜΑΣΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΣΑ ΦΑΕΩΝ 1. Διεπγασίερ κατά την Θέπμανση και Ψύξη Στθν κερμοκραςία του απόλυτου μθδενόσ, T = 0 K, θ κερμοχωρθτικότθτα πλθςιάηει ςτο μθδζν, κι ζτςι, κεωρείται ότι τα άτομα δεν ταλαντεφονται γφρω από τθν κζςθ τουσ ςτο πλζγμα. Μζςω τθσ παροχισ κερμότθτασ, τα άτομα ςυμπεριφζρονται ςαν ταλαντευτζσ και ξεκινοφν να δονοφνται με ςυγκεκριμζνεσ ςυχνότθτεσ γφρω από τισ δικζσ τουσ κζςεισ πλζγματοσ. Με αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ και επομζνωσ αφξθςθ τθσ ταλάντωςθσ των ατόμων θ απόςταςθ ι ακριβζςτερα, θ απόςταςθ των ςθμείων του κζντρου των ατόμων γίνεται μεγαλφτερθ και το μεταλλικό πλζγμα διαπλατφνετε. Άρα, θ παροχι κερμότθτασ κα μετατραπεί ςε ενζργεια δονιςεωσ οδθγϊντασ ςε αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ κακϊσ και αφξθςθ όγκου. Πταν επιτευχκεί θ κερμοκραςία τιξθσ, θ κερμοκραςία δεν αυξάνεται περαιτζρω κακϊσ θ ενζργεια που παρζχεται, χρθςιμοποιείται ςτθν αποκόλλθςθ των ατόμων από το δεςμό πλζγματοσ και ςτθ μεταφορά τουσ ςε μια κατάςταςθ του τιγματοσ με περιςςότερεσ διαταραχζσ. Οι δονιςεισ αντικακίςτανται από μία άτακτθ κίνθςθ. Η κερμότθτα τιξεωσ ονομάηεται λανκάνουςα κερμότθτα κακϊσ δεν οδθγεί ςε αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ. Από τθν άλλθ πλευρά, θ κερμότθτα που παρζχεται από πριν κα διανεμθκεί ξανά κατά τθ διάρκεια τθσ ψφξθσ. Η ςτερεοποίθςθ του τιγματοσ ξεκινά με τον ςχθματιςμό των πυρινων που πραγματοποιείται πρϊτα ςτο ατομικό μζγεκοσ. Τα πρϊτα άτομα διατάςςονται τυχαία για να ςχθματίςουν ςυμπλζγματα ι αρχικοφσ πυρινεσ που ζχουν ιδθ μία διάταξθ ατόμων τυπικι για το ςτερεοποιθμζνο μζταλλο. Τζτοια ςυμπλζγματα ςχθματίηονται ςαν ζνα αποτζλεςμα τθσ κερμικισ κίνθςθσ των ατόμων αλλά αποςυντίκενται ξανά. Η ςτερεοποίθςθ είναι ςτακερι μόνο όταν οι αρχικοί πυρινεσ ζχουν αποκτιςει τθν ικανότθτα να αναπτυχκοφν περαιτζρω. Αυτι θ ςυςςϊρευςθ ατόμων που είναι ικανι να αυξθκεί ονομάηεται πυρινασ. Σε ιδανικι κατάςταςθ οι πυρινεσ γίνονται κερμοδυναμικά ςτακεροί όταν θ κερμοκραςία ςτερεοποίθςθσ ζχει επιτευχκεί και το τιγμα μπορεί να ςτερεοποιθκεί. Σε αυτό το ςθμείο οι αντίςτοιχεσ καμπφλεσ ψφξθσ παρουςιάηουν ζνα ςθμείο αλλαγισ κατεφκυνςθσ εξαιτίασ τθσ λανκάνουςασ ενκαλπίασ τιξθσ που απελευκερϊνεται. Επιπλζον ανάπτυξθ των πυρινων κα κακοριςτεί από τον ρυκμό ςτερεοποίθςθσ (ςχιμα 1). Οι πυρινεσ που κα ςχθματιςτοφν κατά τθν ςτερεοποίθςθ αναπτφςςονται με τυχαίο προςανατολιςμό και κα ςυγκρουςτοφν ςτο τελικό ςτάδιο τθσ ςτερεοποίθςθσ ςχθματίηοντασ τουσ κόκκουσ του μετάλλου. Οι κόκκοι διαχωρίηονται μεταξφ τουσ με τα αντίςτοιχα ςφνορα κόκκων (ςχιμα 2) /18

21 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Σχήμα 1. Τυπικό διάγραμμα ψφξθσ. Α Β Γ Σχήμα 2. Διαδικαςία Στερεοποίθςθσ ενόσ μετάλλου. (Α) Σχθματιςμόσ αςτακϊν αρχικϊν πυρινων - (Β) Σχθματιςμόσ Ρυρινων και ανάπτυξθ τουσ - (Γ) Σχθματιςμόσ κόκκων /18

22 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Η διαδικαςία ςχθματιςμοφ των πρϊτων πυρινων ςτερεοποίθςθσ μπορεί να είναι είτε ομογενισ είτε ετερογενισ. Κατά τθν ομογενι πυρθνοποίθςθ ςε όλθ τθν ζκταςθ του τιγματοσ, επικρατοφν οι ίδιεσ κερμοδυναμικζσ ςυνκικεσ για τον ςχθματιςμό των πρϊτων πυρινων τθσ ςτερεοποίθςθσ. Η πυρθνοποίθςθ γίνεται ςε τυχαία ςθμεία τα οποία είναι τυχαία κατανεμθμζνα ςτον όγκο του τιγματοσ. Κατά τθν ετερογενι πυρθνοποίθςθ υπάρχουν κερμοδυναμικά ευνοοφμενα μζρθ ςτο τιγμα, π.χ. ςτα τοιχϊματα του καλουπιοφ, προςμίξεισ ι εκ προκζςεωσ προςτικζμενοι ςχθματιςτζσ πυρινων (πυρθνοποιθτζσ, μικροκραματικά ςτοιχεία), ςτα οποία γίνεται ο ςχθματιςμόσ των πρϊτων πυρινων τθσ ςτερεοποίθςθσ. Είναι προφανζσ ότι μζςω τθσ προςκικθσ ςτο τιγμα ςτοιχείων που υποβοθκοφν τθν ετερογενι πυρθνοποίθςθ θ ςυμπεριφορά ςτερεοποίθςθσ ενόσ τιγματοσ και επομζνωσ ο ςχθματιςμόσ τθσ δομισ ενόσ υλικοφ μπορεί να επθρεαςτεί ςθμαντικά. Πςο περιςςότερα είναι τα ςθμεία που κα ςυμβεί ετερογενισ πυρθνοποίθςθ ςε ζνα τιγμα τόςο μικρότερο κα είναι το μζγεκοσ των κόκκων και αυτό με τθν ςειρά του επθρεάηει ςε μεγάλο βακμό τισ μθχανικζσ ιδιότθτεσ ενόσ μεταλλικοφ κράματοσ. Στθν πράξθ, οι καμπφλεσ ψφξθσ είναι διαφορετικζσ από τισ κεωρθτικζσ που φαίνονται ςτο ςχιμα 1, κακϊσ εξαιτίασ μιασ κακυςτζρθςθσ ςτθν ςτερεοποίθςθ, το τιγμα υπερψφχεται όπωσ φαίνεται ςυγκριτικά ςτο ςχιμα 3. Πςο υψθλότερθ είναι θ υπερψφξθ, τόςο υψθλότερθ κα είναι θ δφναμθ για το ςχθματιςμό και τθν ανάπτυξθ των πυρινων. Ωςτόςο, όταν προχωριςει θ υπερψφξθ, θ ικανότθτα κίνθςθσ των ατόμων κα μειωκεί ζτςι ϊςτε και τα δφο, ο αρικμόσ των πυρινων και θ ανάπτυξθ τουσ, να μειωκοφν ξανά. Σχήμα 3. Σφγκριςθ κεωρθτικϊν κα πρακτικϊν διαγραμμάτων ψφξθσ. Η αναλογία του αρικμοφ των πυρινων και του ρυκμοφ τθσ ανάπτυξθσ τουσ κακορίηει το τελικό μζγεκοσ των κόκκων κακϊσ και τθν κατανομι των κόκκων ςτθ δομι. Αν ο αρικμόσ των πυρινων είναι μικρόσ και ο ρυκμόσ ςτερεοποίθςθσ υψθλόσ, παράγεται μια δομι με μεγάλο μζγεκοσ κόκκων. Από τθν άλλθ πλευρά, μία λεπτόκοκκθ δομι παράγεται, αν ο αρικμόσ των κυττάρων εξαιτίασ π.χ. τθσ υπζρψυξθσ ι τθσ προςκικθσ ενόσ μθχανιςμοφ λζπτυνςθσ κόκκων είναι υψθλι και ρυκμόσ ανάπτυξθσ των πυρινων είναι χαμθλόσ /18

23 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Η παρουςία ξζνων πυρινων ςτο τιγμα μπορεί να εξουδετερϊςει τθν κακυςτζρθςθ τθσ κρυςταλλοποίθςθσ. Από ζνα ςυγκεκριμζνο αρικμό ξζνων πυρινων και πάνω θ υπερψφξθ είναι ανάλογθ με το ρυκμό ψφξθσ. Πςα ιςχφουν για τθν ςτερεοποίθςθ του τιγματοσ μποροφν να μεταφερκοφν ςτισ διεργαςίεσ μεταςχθματιςμοφ φάςεων ςτθν ςτερεά κατάςταςθ. Εδϊ, ιςχφει θ ίδια ςχζςθ μεταξφ του αρικμοφ των πυρινων, του ρυκμοφ κρυςτάλλωςθσ και τθσ υπερψφξθσ. Ζνα άμορφο υλικό δεν ζχει οριςμζνο ςθμείο τιξθσ ι πιξθσ. Γίνεται πιο ιξϊδεσ όςο πιο χαμθλι είναι θ κερμοκραςία. 2. Κπάματα Μετάλλων Ζνα κράμα μετάλλου αποτελείται από τουλάχιςτον δφο χθμικά ςτοιχεία, ζνα από τα οποία πρζπει να είναι μζταλλο. Αυτά τα ςτοιχεία ονομάηονται τα μζρθ από ζνα διμερζσ, τριμερζσ ι πολυμερζσ κράμα. Τα πλιρωσ ςτερεοποιθμζνα κράματα ςχθματίηονται από τρεισ διαφορετικοφσ τφπουσ βαςικϊν ςυςτατικϊν, τα κακαρά μζταλλα, τουσ ανάμεικτουσ κρυςτάλλουσ (ςτερεά διαλφματα) και τισ ενδομεταλλικζσ ενϊςεισ. Αυτζσ τα βαςικά ςυςτατικά ονομάηονται φάςεισ. Μία φάςθ είναι ομογενισ εντόσ τθσ ίδιασ, δθλ. ζχει τθν ίδια χθμικι ςφςταςθ, ςκλθρότθτα, πυκνότθτα, θ θλεκτρικι αγωγιμότθτα (ομογενισ δομι). Αν υπάρχουν δφο ι περιςςότερεσ φάςεισ, μποροφν να διακρικοφν ςφμφωνα με μία διαφορετικι ςυμπεριφορά ςχετικά με π.χ. τθν προςβολι με οξφ ι τθ ςκλθρότθτα ςτθ δομι (ετερογενζσ κράμα). Σχήμα 4. Σχθματικι αναπαράςταςθ του πλζγματοσ ενόσ ανάμεικτου κρυςτάλλου (Fe ςτθν χωροκεντρωμζνθ δομι με ξζνα άτομα παρεμβολισ) και μίασ ενδομεταλλικισ ζνωςθσ (Fe3Cδομι πλζγματοσ κόκκινα: άτομα ςιδιρου, λευκά: άτομα άνκρακα). Ζνασ ιδανικόσ ανάμικτοσ κρφςταλλοσ αποτελείται από διαφορετικά άτομα, κατανεμθμζνα με τζτοιο τρόπο ϊςτε να ςχθματίηουν μία ομογενι φάςθ όπωσ αναφζρκθκε πιο πάνω. Οι 2.2-4/18

24 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ ανάμεικτοι κρφςταλλοι ονομάηονται επίςθσ ςτερεά διαλφματα. Ππωσ ζχει ιδθ αναφερκεί υπάρχουν τα ςτερεά διαλφματα υποκατάςταςθσ και τα ςτερεά διαλφματα παρεμβολισ. Οι ενδομεταλλικζσ ενϊςεισ ςχθματίηονται από μζταλλα μόνο ι από μζταλλα και αμζταλλα όταν υπάρχει μεγάλθ διαφορά θλεκτροαρνθτικότθτασ μεταξφ των δφο ςυςτατικϊν ϊςτε αυτά να μθν μποροφν να ςχθματίςουν ςτερεό διάλυμα. Ενδομεταλλικζσ ενϊςεισ επίςθσ μπορεί να ςχθματιςτοφν όταν ζνα από τα ςυςτατικά υπερβεί το όριο ςτερεάσ διαλυτότθτασ. Μία ενδομεταλλικι ζνωςθ χαρακτθρίηεται πάντα από ςυγκεκριμζνεσ αναλογίεσ μεταξφ των ςυςτατικϊν τθσ (ςτοιχειομετρικι ζνωςθ) ενϊ επίςθσ κρυςταλλϊνονται ςε διαφορετικζσ δομζσ πλζγματοσ ςυγκρινόμενεσ με αυτζσ των ςυςτατικϊν από τα οποία ςχθματίηονται. Συνικωσ είναι ψακυρζσ ενϊςεισ και διακρίνονται από τισ διαφορετικζσ χθμικζσ και φυςικζσ τουσ ιδιότθτεσ. Ραραδείγματοσ χάριν το καρβίδιο του ςιδιρου που ονομάηεται ςεμεντίτθσ Fe 3 C κρυςταλλϊνεται ςτο ορκορομβικό ςφςτθμα. Οι ενδομεταλλικζσ ενϊςεισ εκτόσ των ςτοιχειομετρικϊν τουσ ιδιοτιτων, μποροφν να ζχουν ζνα βακμό διαλυτότθτασ για ζνα ι για όλα τα ςυςτατικά από τα οποία ςυντίκενται. 3. Διαγπάμματα Φάσεων Τα διαγράμματα φάςεων ςε ζνα κράμα αποτελοφν ζνα ςθμαντικό εργαλείο ςτο πεδίο κερμοκραςίασ - ςυςτάςεωσ τθσ δομισ που επικρατεί ςε κερμοδυναμικι ιςορροπία. Με τθν βοικεια των διαγραμμάτων αυτϊν μποροφμε κάτω από ςυνκικεσ κερμοδυναμικισ ιςορροπίασ: Να προςδιορίηουμε τισ φάςεισ και τισ ςυςτάςεισ των φάςεων από τισ οποίεσ αποτελείται ζνα κράμα να προβλζπουμε ςε κάκε κερμοκραςιακι μεταβολι τισ αντίςτοιχεσ μεταβολζσ τθσ δομισ του κράματοσ να προςδιορίηουμε χριςιμεσ ςυνκικεσ κατεργαςίασ του κράματοσ γνωρίηοντασ το εφροσ και τισ κερμοκραςίεσ ςτισ οποίεσ ςυμβαίνουν οι διάφοροι μεταςχθματιςμοί των φάςεων. Τα διαγράμματα φάςεων καταςκευάηονται ςυνικωσ με τθν χριςθ Θερμικισ Διαφορικισ Ανάλυςθσ κατά τθν διάρκεια διεργαςιϊν κζρμανςθσ - ψφξθσ. Με τθν πραγματοποίθςθ κερμικισ ανάλυςθσ ςε μία καμπφλθ κερμοκραςίασ - χρόνου όπωσ αυτι που φαίνεται ςτο ςχιμα 5 τα ςθμεία μεταςχθματιςμοφ και τα ευτθκτικά ςθμεία υποδεικνφουν τισ αλλαγζσ ςτθν κατάςταςθ. Κατά τθν διαφορικι κερμικι ανάλυςθ οι καμπφλεσ ψφξθσ ενόσ κράματοσ ςυγκρίνονται με αυτζσ ενόσ άλλου δείγματοσ το οποίο ψφχεται ακριβϊσ με τον ίδιο τρόπο αλλά δεν υπόκειται ςε κανζνα μεταςχθματιςμό φάςθσ. Συμπλθρωματικά ςτθ κερμικι ανάλυςθ επιπλζον μζκοδοι εξζταςθσ μποροφν να πραγματοποιθκοφν, με ςκοπό να κακορίςουν αλλαγζσ ςτθν κατάςταςθ των φάςεων. Τζτοιεσ μζκοδοι περιλαμβάνουν π.χ. Διαςταλτικομετρικι ανάλυςθ, μετριςεισ EMF, μεταλλογραφία, και μετριςεισ XRD /18

25 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Σχήμα 5. Καμπφλεσ ψφξθσ με χαρακτθριςτικά ςθμεία. Στο ςχιμα 6 παρακάτω ςαν παράδειγμα του ςυςτιματοσ χαλκοφ-νικελίου αναπτφςςεται ζνα διάγραμμα φάςεων με πλιρθ διαλυτότθτα ςτθ ρευςτι και ςτερεά κατάςταςθ χρθςιμοποιϊντασ τθ κερμικι ανάλυςθ. Υπάρχουν τα ομογενι πεδία τιγματοσ και ςτερεϊν διαλυμάτων κακϊσ και ετερογενι πεδία, δθλ. ζνα πεδίο με δφο φάςεισ αποτελοφμενο από ζνα τιγμα και ζνα ςτερεό διάλυμα που είναι ςε ιςορροπία το ζνα με το άλλο. Σε αυτό το παράδειγμα θ πίεςθ κεωρείται πωσ είναι ςτακερι, ζτςι μόνο δφο ανεξάρτθτεσ μεταβλθτζσ λαμβάνονται υπόψθ, ονομαςτικά θ Θερμοκραςία (άξονασ ψ) και θ ςφςταςθ (άξονασ χ). Υγρι Φάςθ Στερει Φάςθ Liquidus Solidus Σχήμα 6. ςφςτθμα Χαλκοφ - Νικελίου. Ραράδειγμα ςχθματιςμοφ διαγράμματοσ φάςεων με τθν χριςθ κερμικισ ανάλυςθσ. Η γραμμι που διαχωρίηει το πεδίο τθσ ςτερεισ φάςθσ από τθν ετερογενι περιοχι ονομάηεται γραμμι solidus, θ γραμμι που διαχωρίηει το πεδίο τθσ υγρισ φάςθσ από το 2.2-6/18

26 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ ετερογενζσ πεδίο ονομάηεται γραμμι liquidus, ενϊ θ γραμμι που ςυνδζει τθν liquidus και τθν solidus για μία ςυγκεκριμζνθ κερμοκραςία ονομάηεται conode. Στο ςχιμα 7 παρακάτω αναλφεται ςαν παράδειγμα οι αλλαγζσ φάςεων που ςυμβαίνουν ςε ζνα κράμα με περιεκτικότθτα 56% Cuκαι 44%Ni. Α Β Γ Σχήμα 7. Ανάλυςθ τθσ ςτερεοποίθςθσ κράματοσ με περιεκτικότθτα 56% Cuκαι 44%Ni. Κατά τθν ψφξθ, όταν φτάςει τθ κερμοκραςία T1 = 1315 C το πρϊτο ςτερεό διάλυμα του περιεχομζνου ζχει τθν περιεκτικότθτα που φαίνεται ςτο ςθμείο Α Α = 32 % Cu και 68 % Ni Συνεπϊσ, μία υγρι φάςθ του αρχικοφ περιεχομζνου (56 % Cu, 44 % Ni) και του ςτερεοφ διαλφματοσ με περιεκτικότθτα Α ςχθματίηουν μία ιςορροπία. Σε αυτό το ςθμείο θ καμπφλθ ψφξθσ παρουςιάηει μία καμπι εξαιτίασ τθσ εξωκερμικισ αντίδραςθσ ςτερεοποίθςθσ. Και τα δφο μζταλλα του κράματοσ, Cu και Ni ςχθματίηουν εδροκεντρωμζνα κυβικά κρυςτάλλουσ. Με βάςθ τθν ίδια ατομικι ακτίνα του Cu και του Ni το κράμα είναι ζνα ςτερεό διάλυμα αντικατάςταςθσ. Σε περαιτζρω ψφξθ το τμιμα του ςτερεοποιθμζνου τιγματοσ αυξάνεται. Η ςφςταςθ του ςτερεοφ διαλφματοσ, ωςτόςο αλλάηει με μείωςθ τθσ κερμοκραςίασ κατά μικοσ τθσ γραμμισ που ορίηεται από τα ςθμεία Α - Γ. Το πρϊτο ςτερεό διάλυμα Α που ςχθματίηεται ςτθν κερμοκραςία T1 περιζχει λιγότερο Cu και περιςςότερο Ni από τθν αρχικι ςφςταςθ του τθγμζνου κράματοσ. Συνεπϊσ, το τιγμα πρζπει να εμπλουτιςτεί ςε Cu και να μειωκεί θ περιεκτικότθτα του ςε Ni, όταν ψφχεται κάτω από τθ T1, με ςκοπό να ζχει ςωςτι ιςορροπία ςε ςχζςθ με το αρχικό κράμα. Σφμφωνα με αυτι τθν αρχι θ ςφςταςθ του τιγματοσ ςτθν κερμοκραςία Τ 2 ζχει μετακινθκεί ςτο ςθμείο Β. Στθ κερμοκραςία Tf = 1230 C ολόκλθρο το τιγμα ζχει ςτερεοποιθκεί για να ςχθματίςει ςτερεό διάλυμα με ςφςταςθ θ οποία φυςικά πρζπει να ανταποκρίνονται ςτθν αρχικι 2.2-7/18

27 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ ςφςταςθ του κράματοσ. Με τθν ολοκλιρωςθ τθσ ςτερεοποίθςθσ αλλάηει ξανά και θ κλίςθ τθσ καμπφλθσ ψφξθσ. Σε αντίκεςθ με ζνα κακαρό μζταλλο για τθν καμπφλθ ψφξθσ αυτοφ του κράματοσ, δεν ςχθματίηεται κανζνα ευτθκτικό ςθμείο εκτόσ από μια καμπι ςτθν καμπφλθ ψφξθσ κακϊσ για κάκε κερμοκραςία μεταξφ T1 και Tf κα προκφψει μία νζα ςτακερι ιςορροπία μεταξφ των φάςεων τθγμζνων-ςτερεϊν διαλυμάτων τροποποιθμζνων ςτθ ςφςταςι τουσ, δθλ. προςαρμοςμζνεσ ςτθ κερμοκραςία. Με άλλα λόγια, με ζνα κακαρό μζταλλο θ αναλογία των ποςοτιτων τιγματοσ/ςτερεοφ διαλφματοσ αλλάηει ςφμφωνα με τθν ζκλυςθ κερμότθτασ και όχι όπωσ ςε ζνα κράμα όπου αλλάηουν και θ αναλογία των ποςοτιτων τιγματοσ/ςτερεοφ και θ ςφςταςθ των φάςεων που βρίςκονται ςε ιςορροπία. Θερμοδυναμικά μιλϊντασ το ευτθκτικό ςθμείο είναι ςυνζπεια του γεγονότοσ ότι ζνα κακαρό μζταλλο ωσ ζνα ςφςτθμα ενόσ μόνο ςυςτατικοφ ςε μία ιςορροπία δφο φάςεων ζχει ζνα μόνο βακμό ελευκερίασ, ονομαςτικά τθν πίεςθ p ι τθ κερμοκραςία T. Υποκζτοντασ ότι p = ςτακ. ο βακμόσ ελευκερίασ F = 0, δθλ. θ κερμοκραςία όπου το δυαδικό ςφςτθμα είναι ςτακερό δεν μπορεί να μεταβλθκεί χωρίσ να "διαταραχκεί" θ ιςορροπία, δθλαδι με τθ μεταφορά ςε μία ιςορροπία μονισ φάςθσ. Ο μζγιςτοσ αρικμόσ μεταβλθτϊν που βρίςκονται ςε μία κερμοδυναμικι ιςορροπία και μποροφν να μεταβλθκοφν ανεξάρτθτα ο ζνασ από τον άλλο χωρίσ να αλλάξει θ ιςορροπία υπολογίηεται από τον κανόνα του Gibbs. όπωσ ακολουκεί: F = K - P + 2 όπου: F = αρικμόσ βακμϊν ελευκερίασ K = αρικμόσ των ςυςτατικϊν P = αρικμόσ φάςεων. Συνεπϊσ, ζνα δυαδικό ςφςτθμα ςε μία ιςορροπία δφο φάςεων ζχει F = (p = ςτακ.!) = 1 βακμοφσ ελευκερίασ, δθλ. θ κερμοκραςία ι θ ςφςταςθ μπορεί να μεταβλθκεί ανεξαρτιτωσ και θ ιςορροπία δφο φάςεων να διατθρθκεί. Σε μία ςτακερι ςφςταςθ θ κερμοκραςία μπορεί ςυνεπϊσ να μεταβλθκεί χωρίσ τθ μεταφορά π.χ. τθσ ιςορροπίασ ςτερεάσ/ρευςτισ φάςθσ ςε άλλθ /18

28 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ 3.1 Κανόναρ Μοσλού Η αναλογία των ποςοτιτων μεταξφ του τιγματοσ και των ςτερεϊν διαλυμάτων που είναι ςε ιςορροπία ςε μία οριςμζνθ κερμοκραςία μποροφν να κακοριςτοφν από τον λεγόμενο κανόνα του μοχλοφ. Εξαιτίασ των υποκζςεων που ζγιναν (μθ κραμάτωςθ, όχι καφςθ) θ ιςορροπία όγκου ςχετικά με τα αρχικά ςυςτατικά Cu και Ni πρζπει να καταλιξει ςτθν περιεκτικότθτα του αρχικοφ κράματοσ. Ρρζπει να αναφερκεί ξανά ότι οι κεωριςεισ που ζγιναν είναι ζγκυρεσ για τθ κερμοδυναμικι κατάςταςθ μόνο τθσ ιςορροπίασ (διάγραμμα φάςεων), δθλ. υποκζτουμε ότι για κάκε κερμοκραςία τόςο ςτο ίδιο το τιγμα όςο και ςτα ςτερεά διαλφματα πραγματοποιείται μία πλιρθσ ομογενοποίθςθ. Πςο μεγαλφτερο είναι το ετερογενζσ πεδίο, τόςο μεγαλφτερεσ είναι οι διαφορζσ ςυγκεντρϊςεων μεταξφ του τιγματοσ και του ςτερεοφ διαλφματοσ για τθν αντίςτοιχθ κερμοκραςία, θ οποία κάτω από πρακτικζσ ςυνκικεσ μπορεί να οδθγιςει ςε ανεπικφμθτα φαινόμενα διαφοριςμοφ. Με τθ βοικεια του κανόνα μοχλοφ τα κλάςματα των παροφςων φάςεων μποροφν να ςχεδιαςτοφν άμεςα από το διάγραμμα φάςεων (παράδειγμα φαίνεται ςτο ςχιμα 8). Με αυτόν τον τρόπο, οι φάςεισ που είναι ςε ιςορροπία θ μία με τθν άλλθ ςτθν κερμοκραςία υπό ςυηιτθςθ ςυνδζονται με μία γραμμι, τθ λεγόμενθ conode, μεταξφ τθσ liquidus και solidus γραμμισ παράλλθλθσ ςτον άξονα χ. Η αρχικι ςφςταςθ του κράματοσ L κα κακορίςει το ςθμείο επαφισ (ςθμείο b) του μοχλοφ a- b-c. Για παράδειγμα ςτο ςχιμα 8 που φαίνεται, τα κλάςματα ενόσ τιγματοσ (ςθμείο a) που ζχει τθ ςφςταςθ C M και ενόσ ςτερεοφ διαλφματοσ (ςθμείο c) που ζχει τθ ςφςταςθ C SS ςε μία οριςμζνθ κερμοκραςία είναι όπωσ ακολουκεί : m Μ (%) = (b-c/a-c) 100 m SS (%) = (a-b/a-c) 100 Για μία ιςορροπία των ςυςτατικϊν A και B τα αντίςτοιχα κλάςματα των φάςεων κα πρζπει να πολλαπλαςιαςτοφν με τισ αντίςτοιχεσ ςυγκεντρϊςεισ των ςυςτατικϊν ςε αυτζσ τισ φάςεισ και μετά να προςτεκοφν /18

29 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Σχήμα 8.Εφαρμογι του κανόνα του μοχλοφ για τθν εφρεςθ του ποςοςτοφ τθσ κάκε φάςθσ που βρίςκεται ςε ιςορροπία /18

30 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ 3.2 Σο Εςτηκτικό ύστημα Σχήμα 9. Τυπικό διάγραμμα φάςεων ενόσ ευτθκτικοφ ςυςτιματοσ μεταξφ δφο ςυςτατικϊν Α και Β. Τα κράματα που ζχουν μία πλιρθ διαλυτότθτα ςτθ ρευςτι κατάςταςθ και περιοριςμζνθ διαλυτότθτα ςτθ ςτερεά κατάςταςθ ζχουν μεγάλθ τεχνικι ςθμαςία. Και τα δφο αρχικά ςυςτατικά ςχθματίηουν ςτερεά διαλφματα το κακζνα, αυτά όμωσ υπάρχουν ςαν δφο διαχωριςμζνεσ φάςεισ μόλισ βρεκοφν ςε ζνα οριςμζνο εφροσ ςυγκζντρωςθσ. Αυτό ονομάηεται ζνα κενό ανάμιξθσ (περιοχι δφο φάςεων) με τισ λεγόμενεσ γραμμζσ διαφοριςμοφ (k-v και m-q) ςαν οριακζσ γραμμζσ. Ραραδείγματα ενόσ τζτοιου ςυςτιματοσ αποτελοφν το ςφςτθμα Al-Si και θ πλευρά αργιλίου του ςυςτιματοσ Al-Cu. Στθ ςυνζχεια, μελετϊνται οι διεργαςίεσ κατά τθ διάρκεια ψφξθσ για διαφορετικζσ αρχικζσ ςυςτάςεισ, με τθ χριςθ του παραδείγματοσ ενόσ εφτθκτου δυαδικοφ ςυςτιματοσ A-B με πλιρθ διαλυτότθτα ςτθ ρευςτι κατάςταςθ και ζνα περιοριςμζνο ςχθματιςμό ςτερεϊν διαλυμάτων /18

31 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Στο ςφςτθμα υπάρχουν τρεισ ομογενείσ φάςεισ: τιγμα α-ςτερει φάςθ β-ςτερει φάςθ Εκτόσ από αυτά υπάρχουν τρεισ ιςορροπίεσ δυαδικϊν φάςεων ωσ ετερογενι πεδία: τιγμα - α-ςτερει φάςθ τιγμα - β-ςτερει φάςθ α- και β-ςτερεά φάςεισ Και θ τετραδικι ιςορροπία α- ςτερει φάςθ τιγμα - α-ςτερει φάςθ - α+β ςτερεζσ φάςεισ. Σχήμα 10. Συμπεριφορά ενόσ ευτθκτικοφ ςυςτιματοσ για διάφορεσ ςυγκεντρϊςεισ των ςυςτατικϊν Α και Β. Τα ςθμεία τιξθσ των κακαρϊν αρχικϊν ςυςτατικϊν A και B μποροφν να κακοριςτοφν διαμζςου των ευτθκτικϊν ςθμείων ςτισ αντίςτοιχεσ καμπφλεσ ψφξθσ. Η καμπφλθ κερμοκραςίασ-χρόνου τθσ ςφςταςθσ C1 ανταποκρίνεται ςτο παράδειγμα ενόσ ςυςτιματοσ με τα χαρακτθριςτικά που περιγράφθκαν πριν ςτα ςχιματα 6 και 7. Το κράμα τθσ αρχικισ ςφςταςθσ C2 κατακρθμνίηει τθν πρϊτθ ςτερει φάςθ τθσ ςφςταςθσ d όταν φτάςει τθ γραμμι liquidus (ςθμείο d). Η καμπφλθ ψφξθσ παρουςιάηει μία καμπφλωςθ ςε αυτό το ςθμείο εξαιτίασ τθσ κερμότθτασ ςτερεοποίθςθσ που απελευκερϊνεται (ςχιμα 11) /18

32 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Με περαιτζρω ψφξθ περιςςότερο τιγμα μεταςχθματίηεται ςε ςτερει φάςθ α όπου και τα δφο, το τιγμα και θ ςτερει φάςθ ακολουκοφν τισ ςυγκεντρϊςεισ των αντίςτοιχων γραμμϊν liquidus και solidus (φαίνονται με κόκκινο ςτο ςχιμα 11). r r Α Σχήμα 11. Συμπεριφορά ενόσ ευτθκτικοφ ςυςτιματοσ για ςυγκζντρωςθ των ςυςτατικϊν Α και Β ίςθ με C 2. Πταν θ κερμοκραςία πζςει ςτο ςθμείο Τ EU το τιγμα ζχει τθ ςφςταςθ e και θ a-ςτερει φάςθ ζχει τθ ςφςταςθ k. Στθ κερμοκραςία T EU και οι δφο αυτζσ φάςεισ βρίςκονται ςε μία ιςορροπία ςε ζνα λόγο που προκφπτει ςφμφωνα με το κανόνα του μοχλοφ όπωσ ακολουκεί: Η απόςταςθ k-r που ςχετίηεται με το μοχλό k-e μασ δίνει το κλάςμα του τιγματοσ με τθ ςφςταςθ e ( 100 in %). Από τθν άλλθ πλευρά ο λόγοσ τθσ απόςταςθσ r-e προσ το μοχλό k-e μασ δίνει το ποςοςτό τθσ ςτερεισ φάςθσ -a με τθ ςφςταςθ k. Πταν περαιτζρω κερμότθτα αποςυρκεί από το ςφςτθμα ςτθ κερμοκραςία T EU δεν ψφχεται επιπλζον αλλά ξεκινάει μια αντίδραςθ όπου το τιγμα τθσ ςφςταςθσ e μεταφζρεται και ςτισ δφο, ςτερεζσ φάςεισ α- και β τθσ ςφςταςθσ k ι m, αντιςτοίχωσ : M => a- + b-στερεή φάση Αυτι είναι μία ευτθκτικι αντίδραςθ. Κακϊσ πραγματοποιείται αυτι θ αντίδραςθ οι φάςεισ τιγμα ςφςταςθσ e α-ςτερει φάςθ ςφςταςθσ k και β-ςτερει φάςθ ςφςταςθσ m βρίςκονται ςε ιςορροπία θ μία με τθν άλλθ. Μετά το μεταςχθματιςμό, ζχει δθμιουργθκεί μία δομι από τισ ςτερεζσ φάςεισ α και β ενϊ πλζον δεν υπάρχει κακόλου τιγμα /18

33 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Το κλάςμα των ςτερεϊν φάςεων α και β ςε αυτι τθ δομι υπολογίηεται ςφμφωνα με τον κανόνα μοχλοφ όπωσ ακολουκεί: Η απόςταςθ k-e που ςχετίηεται με ολόκλθρο το μοχλό k-m μασ δίνει τθν αναλογία τθσ ςτερεισ φάςθσ β με ςφςταςθ m, ενϊ θ απόςταςθ e-m που ςχετίηεται με τον μοχλό k-m μασ δίνει τθν αναλογία τθσ ςτερεισ φάςθσ α με χθμικι ςφςταςθ k. Για όλεσ τισ αρχικζσ ςυγκεντρϊςεισ των δφο ςυςτατικϊν Α και Β που βρίςκονται ανάμεςα ςτα ςθμεία k και m οι καμπφλεσ ψφξθσ παρουςιάηουν ζνα ευτθκτικό ςθμείο όπωσ ζνα κακαρό μζταλλο ςτθν ευτθκτικι κερμοκραςία T EU. Ο λόγοσ για αυτό είναι ότι κάτω από τθν ευτθκτικι κερμοκραςία T EU μόνο οι δφο ςτερεζσ φάςεισ α- και -β βρίςκονται ςε ιςορροπία μεταξφ τουσ και επομζνωσ μία ψφξθ κάτω από T EU μπορεί να ξεκινιςει μόνο αφοφ ςτερεοποιθκεί πλιρωσ το τιγμα χθμικισ ςφςταςθσ e. Επομζνωσ, μόνο θ αναλογία των ςτερεϊν/ρευςτϊν αλλάηει ςτθ κερμοκραςία T EU με αυξανόμενθ απϊλεια κερμότθτασ, αλλά οι ςυςτάςεισ του τιγματοσ ι των ςτερεϊν διαλυμάτων δεν κα αλλάξουν. Ή: Σφμφωνα με τον κανόνα φάςεωσ του Gibbs, ο αρικμόσ των βακμϊν ελευκερίασ εδϊ είναι F = (p=ςτακ.!) = 0. Άρα, θ κερμοκραςία δεν μπορεί να αλλάξει χωρίσ απομάκρυνςθ από τθν τριαδικι ιςορροπία (οι ςυςτάςεισ είναι ςτακερζσ = k, e, m). Με περαιτζρω ψφξθ κάτω από τθν ευτθκτικι κερμοκραςία επιπλζον ςτερεζσ φάςεισ α και β κατακρθμνίηονται κατά μικοσ των γραμμϊν διαφοριςμοφ k-v και m-q, δθλαδι θ διαλυτότθτα των ςυςτατικϊν A και B ςτα αντίςτοιχα ςτερεά διαλφματα μειϊνεται με τθ κερμοκραςία. Εδϊ, οι κατακρθμνίςεισ κυρίωσ ςχθματίηονται ςε ατζλειεσ πλζγματοσ όπωσ τα όρια των κόκκων. ςφμφωνα με τον κανόνα του μοχλοφ, ςε κερμοκραςία δωματίου υπάρχουν ςυνεπϊσ ςτερεά διαλφματα τθσ ςφςταςθσ v ι q το ζνα πάνω ςτο άλλο ςαν ζνα μίγμα δφο φάςεων, αντιςτοίχωσ, ςε αναλογία: α-στερεή φάση(%) = (r-q/v-q) 100 β-στερεή φάση(%) = (v-r/v-q) 100 Το κράμα με τθν ευτθκτικι ςφνκεςθ C EU (ςχιμα 10) παρουςιάηει μόνο ζνα ευτθκτικό ςθμείο ςτθν κερμοκραςίαt EU ςτθν αντίςτοιχθ καμπφλθ ψφξθσ, δθλ. ςυμπεριφζρεται ςαν ζνα κακαρό μζταλλο όταν ςτερεοποιείται. Το κράμα τθσ ςφςταςθσ C3 ζχει τθν ίδια ςυμπεριφορά ψφξθσ με αυτι του κράματοσ C2, διαφζροντασ ςτο γεγονόσ ότι όταν φτάνει τθ γραμμι liquidus κατακρθμνίηεται κυρίωσ όχι θ ςτερει φάςθ α αλλά θ β /18

34 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Το κράμα αρχικισ ςφςταςθσ C4 δεν βρίςκεται ςτο εφροσ ςφςταςθσ ενόσ ευτθκτικοφ κράματοσ k-m. Σε αντίκεςθ με τθν ςφςταςθ C1 θ γραμμι διαφοριςμοφ (m-q) κόβεται ςτο ςθμείο ςφςταςθσ C4 κατά τθν ψφξθ. Ξεκινϊντασ από αυτι τθ κερμοκραςία, θ διαλυτότθτα του ςυςτατικοφ A ςτθν ςτερει φάςθ-β μειϊνεται και μία ςτερει φάςθ -α ςχθματίηεται ζχοντασ τθν αντίςτοιχθ χθμικι ςφςταςθ τθσ γραμμισ solidus για τθν φάςθ α. Η αντίςτοιχθ καμπφλθ ψφξθσ παρουςιάηει μία πολφ μικρι αλλαγι κλίςθσ. Ρεραιτζρω ψφξθ διενεργείται όπωσ ζχει προαναφερκεί με τθ ςφςταςθ C2. Αυτι θ ςυμπεριφορά ενόσ κραματικοφ ςυςτιματοσ είναι εξαιρετικισ τεχνικισ ςθμαςίασ για τον μθχανιςμό τθσ ςκλιρυνςθσ ενόσ υλικοφ λόγω γιρανςθσ. Τα ςυςτιματα που παρουςιάηουν μθ αναμιξθμότθτα των ςυςτατικϊν ςτθ ςτερεά κατάςταςθ κυρίωσ ςυμπεριφζρονται ςαν αυτά με περιοριςμζνθ ςτερεά αναμιξθμότθτα κατά τθ διάρκεια τθσ ψφξθσ. Η διαφορά είναι ότι διαχωρίηονται όχι τα ςτερεά διαλφματα αλλά τα κακαρά ςυςτατικά A και B και όταν ψυχκοφν ςτθ ςτερεά κατάςταςθ δε κα εμφανιςτοφν περαιτζρω διαχωριςμοφ (ςχιμα 12). Σχήμα 12. Διάγραμμα φάςεων ενόσ ςυςτιματοσ ςυςτατικϊν Α και Β που δεν παρουςιάηουν κακόλου αναμιξθμότθτα ςτθν ςτερεά κατάςταςθ. Θα πρζπει να τονιςτεί ότι θ ευτθκτικι κερμοκραςία T EU είναι κάτω από τισ κερμοκραςίεσ ςτερεοποίθςθσ των αρχικϊν ςυςτατικϊν A και B. Στο ςφςτθμα Ni-NiS π.χ. οι ελάχιςτεσ περιεκτικότθτεσ ςε NiS επαρκοφν για το ςχθματιςμό μιασ ευτθκτικά ςυντεκειμζνθσ φάςθσ που λιϊνει ιδθ ςτουσ 645 C (τεχνικά κεωρείται ότι αυτό το ςφςτθμα δεν παρουςιάηει κακόλου διαλυτότθτα ςτθ ςτερεά κατάςταςθ). Μία ςφγκριςθ: Το ςθμείο τιξθσ του Ni = 1453 C και αυτό του NiS > 800 C. Εξαιτίασ αυτοφ, μποροφν να προκφψουν φκορζσ ςε εξοπλιςμό υψθλισ κερμοκραςίασ από υλικά με βάςθ το Ni που περιζχουν αντίςτοιχεσ περιεκτικότθτεσ κείου /18

35 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ 3.3 Σο Πεπιτηκτικό ύστημα Σχήμα 13. Τυπικό διάγραμμα φάςεων ενόσ περιτθκτικοφ ςυςτιματοσ μεταξφ δφο ςυςτατικϊν Α και Β. Σε ζνα ςφςτθμα με περιοριςμζνο ςχθματιςμό ςτερεϊν διαλυμάτων το ςθμείο τιξθσ ενόσ ςυςτατικοφ μπορεί να αυξθκεί εξαιτίασ τθσ διάλυςθσ του άλλου ςυςτατικοφ, του οποίου το ςθμείο τιξθσ κα μειωκεί εξαιτίασ του ςχθματιςμοφ ςτερεϊν διαλυμάτων όπωσ ςτο ευτθκτικό ςφςτθμα. Το τελικό διάγραμμα φάςεων παρουςιάηει ζνα περιτθκτικό ςφςτθμα (ςχιμα 13). Στισ ακόλουκεσ παραγράφουσ οι διεργαςίεσ κατά τθ διάρκεια τθσ ψφξθσ κα ςυηθτθκοφν ςτο παράδειγμα ενόσ περιτθκτικοφ δυαδικοφ ςυςτιματοσ (peri = γφρω) A-B με πλιρθ διαλυτότθτα ςτθ ρευςτι κατάςταςθ και περιοριςμζνθ διαλυτότθτα ςτθ ςτερεά κατάςταςθ για διαφορετικζσ αρχικζσ ςυςτάςεισ. Στο ςφςτθμα υπάρχουν οι ίδιεσ ιςορροπίεσ φάςεων όπωσ ςτθν ευτθκτικι που προαναφζρκθκε. Η μεταβλθτισ πίεςθ τθσ κατάςταςθσ κα κακοριςτεί ωσ ςτακερά ξανά. Οι διεργαςίεσ ψφξθσ των ςυςτάςεων ζξω από τθν τριαδικι ιςορροπία a-p-c πραγματοποιοφνται με τον ίδιο τρόπο όπωσ ζχει ιδθ ςυηθτθκεί /18

36 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Σχήμα 14. Συμπεριφορά ενόσ περιτθκτικοφ ςυςτιματοσ για διάφορεσ ςυγκεντρϊςεισ των ςυςτατικϊν Α και Β. Το τιγμα με τθ ςφςταςθ L1 κατακρθμνίηει τθν α-ςτερει φάςθ (ςφςταςθ = κόκκινθ γραμμι) όταν φτάςει τθ γραμμι liquidus. Η αντίςτοιχθ καμπφλθ ψφξθσ παρουςιάηει μία αλλαγι ςτθν κλίςθ τθσ. Με περαιτζρω ψφξθ, το τιγμα και θ α-ςτερει φάςθ εμπλουτίηονται ςτο ςυςτατικό B. Πταν επιτευχκεί θ κερμοκραςία T = TPe, δθλ. ςτθ γραμμι a-p-c, το τιγμα με τθ ςφςταςθ c και θα-ςτερει φάςθ με τθ ςφςταςθ a βρίςκονται ςε ιςορροπία μεταξφ τουσ. Το αντίςτοιχα ποςοςτά των δφο φάςεων είναι αποτζλεςμα τθσ εφαρμογισ του κανόνα του μοχλοφ με τισ αποςτάςεισ a-c, a-l1,και L1-c. Πταν περαιτζρω κερμοκραςία απελευκερϊνεται το ςφςτθμα δεν μειϊνεται ςε κερμοκραςία αλλά πραγματοποιείται ζνασ μεταςχθματιςμόσ ίδιοσ με τθν ευτθκτικι ιςορροπία που είναι γνωςτι ωσ περιτθκρικι αντίδραςθ. Ζχει τθν ακόλουκθ πορεία: M + α-στερεή φάση => β-στερεή φάση. Η περιτθκτικι αντίδραςθ διακρίνεται θ ίδια από τθν ευτθκτικι από το γεγονόσ ότι ςχθματίηεται μία β- ςτερει φάςθ γφρω από τθν ιδθ κατακρθμνιςμζνθ α-ςτερει φάςθ και θ αντίδραςθ με το τιγμα μπορεί να προχωριςει περαιτζρω μόνο με διάχυςθ των ατόμων γφρω από ςτερεοφσ κρυςτάλλουσ. Με αυτό τον τρόπο θ δομι παρουςιάηει μία διαφορετικι μορφι ςε ςφγκριςθ με τθν ευτθκτικι ςτερεοποίθςθ. Η καμπφλθ ψφξθσ παρουςιάηει το χαρακτθριςτικό ςθμείο μεταςχθματιςμοφ εφόςον επίςθσ με αυτι τθ τριαδικι ιςορροπία ο αρικμόσ των βακμϊν ελευκερίασ είναι F = 0. Αφοφ ολοκλθρωκεί θ περιτθκτικι αντίδραςθ, δθλ. αφοφ ζνασ ολοκλθρωμζνοσ μεταςχθματιςμόσ του τιγματοσ που αναφζρεται ςτο κράμα L1, θ α-ςτερει φάςθ κακϊσ και θβ-ςτερει φάςθ με τθ ςφςταςθ p είναι ςε ιςορροπία το ζνα με το άλλο. Το κλάςμα των φάςεων μπορεί να υπολογιςτεί με τισ αποςτάςεισ a-p, a-l1 και L1-p (κανόνασ μοχλοφ) /18

37 2.2 ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΚΑΜΑΤΑ ΚΑΙ ΔΙΑΓΑΜΜΑΤΑ ΦΑΣΕΩΝ Με περαιτζρω ψφξθ θ κερμοκραςία ελαττϊνεται. Επιπλζον, θ διαλυτότθτα του B ςτθν α- ςτερει φάςθ μειϊνεται και από τθν άλλθ πλευρά θ διαλυτότθτα του A ςτθν β-ςτερει φάςθ αυξάνεται. Σε κερμοκραςία δωματίου και οι δφο φάςεισ των ςτερεϊν διαλυμάτων-α και -β είναι ςε ιςορροπία το ζνα με το άλλο με τισ ςυςτάςεισ που φαίνονται ςτο διάγραμμα. Στθν ςυγκζντρωςθ L 2 μόλισ επιτευχκεί θ κερμοκραςία T = T Pe το τιγμα c και θ α-ςτερει φάςθ ζχουν ακριβϊσ αυτζσ τισ αναλογίεσ ϊςτε να είναι δυνατόσ ζνασ ολοκλθρωμζνοσ μεταςχθματιςμόσ του τιγματοσ με τθν αρχικά κατακρθμνιςμζνθ α-ςτερει φάςθ να ςχθματίςουν τθν β-ςτερει φάςθ με ςυγκζντρωςθ p. Οι αναλογίεσ του τιγματοσ και του α- ςτερεοφ διαλφματοσ που απαιτοφνται για ζνα ολοκλθρωμζνο μεταςχθματςιμό είναι αποτζλεςμα των αποςτάςεων a-c, a-p και p-c (κανόνασ μοχλοφ). Το κράμα L3 ζχει περίςςευμα τιγματοσ ζτςι ϊςτε μετά από τον περιτθκτικό μεταςχθματιςμό ςτθ κερμοκραςία Τ Pe θ β-ςτερει φάςθ με ςυγκζντρωςθ p είναι ςε ιςορροπία με το τιγμα ςυγκζντρωςθσ c. Με περαιτζρω ψφξθ το υπόλοιπο τιγμα κα ςτερεοποιθκεί μζχρι μόνο θ β-ςτερει φάςθ τθσ ςφςταςθσ L3 να υπάρχει ςτθν κερμοκραςία δωματίου /18

38 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ 2.3 ΚΡΑΜΑΤΑ ΣΙΔΗΡΟΥ - ΑΝΘΡΑΚΑ 1. Το Σύζηημα Fe-C Ανάλογα με τθ κερμοκραςία ο ςίδθροσ ζχει διαφορετικζσ κρυςταλλικζσ δομζσ, που ονομάηονται αλλοτροπικζσ μορφζσ. Θ φάςθ α-fe (φερρίτθσ) που είναι θ μορφι του ςιδιρου ςε κερμοκραςία δωματίου αποκρυςταλλϊνεται ςε χωροκεντρωμζνθ κυβικι δομι, ενϊ θ φάςθ γ-fe (ωςτενίτθσ) εμφανίηεται με εδροκεντρωμζνθ κυβικι δομι και θ μορφι δ- Fe ζχει επίςθσ χωροκεντρωμζνθ κυβικι δομι. Επομζνωσ, οι μορφζσ του ςίδθρου α και δ είναι ιςόμορφοι κρυςταλλικοί τφποι που διακρίνονται μεταξφ τουσ εξαιτίασ τθσ επίδραςθσ τθσ κερμοκραςίασ ι του διαφορετικοφ εφρουσ ςτακερότθτασ ςτισ ςτακερζσ του πλζγματοσ. Τα ςθμεία μεταςχθματιςμοφ του κακαροφ ςιδιρου εμφανίηονται ωσ ευτθκτικά ςθμεία ςε μία καμπφλθ χρόνου-κερμοκραςίασ. Ονομάηονται ςθμεία A (= arrêter). Για τα ςθμεία A που παράγονται κατά τθ διεργαςία κζρμανςθσ, προςτίκεται το μικρό γράμμα c (= chauffage). Για τα ςθμεία A που είναι αποτζλεςμα τθσ διεργαςίασ ψφξθσ προςτίκεται αντιςτοίχωσ το μικρό r (= refroidissement). Επιπλζον, τα ςθμεία απαρικμοφνται διαδοχικά με βάςθ τθ κερμοκραςία: A 4 = 1392 C A 3 = 911 C A 2 = 769 C A 1 εμφανίηεται με κράματα Fe-C μόνο (Γραμμι GPSK ςτο διάγραμμα φάςθσ Fe-C του ςχιματοσ 2). Είναι ςυνικθσ πρακτικι να εκκζτουμε το ςφςτθμα ςιδιρου-άνκρακα ωσ ζνα μερικό διάγραμμα μζχρι ζνα 7 % περιεκτικότθτα τθσ μάηασ ςε άνκρακα. Ο άνκρακασ μπορεί είτε να είναι ςτακερόσ ςτθ μορφι του γραφίτθ είτε μεταςτακισ ςτθ μορφι του καρβίδιου ςιδιρου Fe 3 C, που ονομάηεται επίςθσ ςεμεντίτθσ. Το καρβίδιο του ςίδθρου ζχει περιεκτικότθτα άνκρακα 6.67 επί τοισ εκατό κατά βάροσ και δεν ζχει κακόλου διαλυτότθτα για τον Fe θ τον C. Τα υλικά που ζχουν λιγότερο από 2.06 % άνκρακα και των οποίων το κφριο ςτοιχείο είναι ο ςίδθροσ, ονομάηονται χάλυβεσ. Θ τιμι του 2 % άνκρακα ςυνεπϊσ είναι θ οριακι τιμι για τθ διαφοροποίθςθ μεταξφ χάλυβα και χυτοςιδιρου /25

39 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Σχιμα 1. Αλλοτροπικζσ μορφζσ του ςιδιρου. Σχιμα 2. Διάγραμμα φάςεων ςιδιρου άνκρακα /25

40 1.1 Μεηαζχημαηιζμοί ζηο ζύζηημα Fe - Fe 3 C Περιηηκηικός Μεηαζτημαηιζμός 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Σχιμα 3. Μεγζκυνςθ τθσ περιοχισ περιτθκτικοφ μεταςχθματιςμοφ του διαγράμματοσ φάςεων ςιδιρου άνκρακα που φαίνεται ςτο ςχιμα 2. Υπάρχει ζνασ περιτθκτικόσ μεταςχθματιςμόσ ςτο τμιμα A-B-I-N-H με κράματα που ζχουν μία περιεκτικότθτα άνκρακα μεταξφ 0.1 και 0.51 % C. Τα κράματα που ζχουν λιγότερο από 0.51 % C (ςθμείο B) πρϊτα κατακρθμνίηουν τθν φάςθ δ-fe από τθ ρευςτι φάςθ όταν φτάςουν τθ γραμμι A-B. Πταν φτάςει τθν περιτθκτικι κερμοκραςία των 1493 C το τιγμα που υπάρχει ακόμα μεταςχθματίηεται ςφμφωνα με τθν περιτθκτικι αντίδραςθ τιγμα + δ-fe => γ-fe. Ριο λεπτομερϊσ οι μεταςχθματιςμοί που ςυμβαίνουν ςε αυτι τθν περιοχι του διαγράμματοσ είναι οι εξισ: ΠεριεκτικότθταC<0.1% Με περιεκτικότθτα άνκρακα κάτω από 0.1% (ςθμείο H) το τιγμα ςτερεοποιείται ολοκλθρωτικά για να ςχθματίςει δ-fe που ςε περαιτζρω ψφξθ μεταςχθματίηεται ςε γ-fe /25

41 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Περιεκτικότθτα 0.1 % <C< 0.16 % Στο εφροσ ςυγκζντρωςθσ H-I οι φάςεισ του δ-fe και του γ-fe είναι ςε ιςορροπία μεταξφ τουσ αμζςωσ μετά τον περιτθκτικό μεταςχθματιςμό. Σε περαιτζρω ψφξθ μόνο θ φάςθ του δ-fe κα μεταςχθματιςτεί ςε γ-fe. Περιεκτικότθτα 0.16 % <C< 0.51 % Στο εφροσ ςυγκζντρωςθσ Ι-Β το τιγμα και θ φάςθ γ-fe είναι ςε ιςορροπία μεταξφ τουσ αμζςωσ μετά τον περιτθκτικό μεταςχθματιςμό. Σε περαιτζρω ψφξθ επιπλζον ποςότθτεσ γ- Fe κα κατακρθμνιςτοφν από το τιγμα όπου και τα δφο, το τιγμα και θ φάςθ γ-fe κα εμπλουτίςτουν με άνκρακα Εσηηκηικός Μεηαζτημαηιζμός Σχιμα 4. Μεγζκυνςθ τθσ περιοχισ ευτθκτικοφ μεταςχθματιςμοφ του διαγράμματοσ φάςεων ςιδιρου άνκρακα που φαίνεται ςτο ςχιμα 2. Τα τιγματα κραμάτων Fe-C με μία περιεκτικότθτα άνκρακα μζχρι 6.67 % (ςθμείο F) κατακρθμνίηουν γ-fe κατά μικοσ τθσ γραμμισ liquidus B-C και Fe 3 C όταν φτάνουν τθν γραμμι C-D /25

42 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Περιεκτικότθτα 0.51 % <C<2.06 % Αν θ περιεκτικότθτα του άνκρακα είναι μεταξφ 0.51 % και 2.06 % (ςθμείο E) το τιγμα ζχει πλιρωσ μεταςχθματιςτεί ςε γ-fe τθσ αρχικισ ςφςταςθσ όταν φτάνει τθν ευτθκτικι κερμοκραςία των 1147 C. Ρεραιτζρω ψφξθ κάτω των 1147 C οδθγεί ςε διαχωριςμό του ςεμεντίτθ με περιεκτικότθτα άνκρακα τθσ αρχικισ ςφςταςθσ πάνω από 0.8 % C όταν φτάνει τθ γραμμι E-S, κακϊσ θ ικανότθτα του ωςτενίτθ ςτθν διαλυτοποίθςθ του άνκρακα μειϊνεται με τθ κερμοκραςία. Αυτόσ ο ςεμεντίτθσ επίςθσ ονομάηεται δευτερογενισ ςεμεντίτθσ κακϊσ είναι θ δεφτερθ κζςθ του διαγράμματοσ ςτθν οποία μπορεί να κατακρθμνιςτεί ςεμεντίτθσ. Συνεπϊσ, ςτθν τελικι δομι ο ωςτενίτθσ και ο δευτερογενισ ςεμεντίτθσ βρίςκονται ο ζνασ δίπλα ςτον άλλον, ι ονομάηονται φάςεισ γ-feκαι Fe 3 C. Περιεκτικότθτα 2.06 % <C<4.3 % Με κράματα που ζχουν περιςςότερο από 2.06 % C οι φάςεισ του γ-fe κα εμπλoυτίςτουν ςε άνκρακα μζχρι τθν μζγιςτθ δυνατι περιεκτικότθτα του 2.06 % ενϊ το τιγμα κα ζχει τθν ευτθκτοειδι ςφςταςθ (ςθμείο C) ςε 1147 C και 4.3 % C. Με περαιτζρω απομάκρυνςθ κερμότθτασ το τιγμα μεταςχθματίηεται ςφμφωνα με τθν ευτθκτικι αντίδραςθ: τιγμα => γ-fe + Fe 3 C ςτθν αναλογία του 48.6 % ςεμεντίτθ και 51.4 % ωςτενίτθ τθσ ςφνκεςθσ E (βλζπε κανόνα μοχλοφ). Θ τελικι ευτθκτικι δομι με αυτι τθν αναλογία ςεμεντίτθ και ωςτενίτθ ονομάηεται λεδεβουρίτθσ. Εξαιτίασ τθσ μειωμζνθσ ικανότθτασ του ωςτενίτθ να διαλφςει τον άνκρακα ο δευτερογενισ ςεμεντίτθσ κα κατακρθμνιςτεί με επιπλζον ψφξθ, καταλιγοντασ ζτςι ςε μία δομι αποτελοφμενθ από ωςτενίτθ, λεδεβουρίτθ και δευτερογενι ςεμεντίτθ για το εφροσ τθσ κερμοκραςίασ υπό εξζταςθ για τα κράματα που ζχουν μία περιεκτικότθτα άνκρακα μεταξφ 2.06 και 4.3 %. Λαμβάνοντασ υπ' όψιν τθσ φάςεισ, ξανά οι φάςεισ γ-feκαι Fe 3 C βρίςκονται ςε ιςορροπία θ μία με τθν άλλθ. Περιεκτικότθτα C>4.3 % Τα κράματα που ζχουν περιςςότερο από 4.3 % C κατακρθμνίηονται ωσ Fe 3 C κατά τθ διάρκεια τθσ ςτερεοποίθςισ τουσ όταν φτάςουν τθ γραμμι C-D, όπου το υπολειπόμενο τιγμα ζχει ζλλειψθ ςε άνκρακα μζχρι να αποκτιςει τθν ευτθκτικι του ςφςταςθ ξανά. Μζχρι να ολοκλθρωκεί ο ευτθκτικόσ μεταςχθματιςμόσ του τιγματοσ υπάρχει μία δομι αποτελοφμενθ από πρωτογενι ςεμεντίτθ και λεδεβουρίτθ /25

43 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Θα πρζπει να ςθμειωκεί ότι θ γραμμι C-D ςχεδιάηεται ςαν 'ςπαςμζνθ" γραμμι κακϊσ θ κζςθ τθσ μπορεί να κακοριςτεί μόνο ζωσ περίπου 5 % C Εσηηκηοειδής Μεηαζτημαηιζμός Σχιμα 5. Μεγζκυνςθ τθσ περιοχισ ευτθκτοειδοφσ μεταςχθματιςμοφ του διαγράμματοσ φάςεων ςιδιρου άνκρακα που φαίνεται ςτο ςχιμα 2. Με περαιτζρω ψφξθ κάτω των 1147 C ξεκινά ζνασ μεταςχθματιςμόσ παρόμοιοσ με τον ευτθκτικό ςτουσ 723 C. Εξαιτίασ του γεγονότοσ ότι αποτελεί μία αντίδραςθ ςτθ ςτερεά κατάςταςθ, δθλ. χωρίσ τθ ςυμμετοχι ενόσ τιγματοσ, ονομάηεται ευτθκτοειδισ μεταςχθματιςμόσ. Περιεκτικότθτα C<0.02 % Τα κράματα που ζχουν λιγότερο από 0.02 % C (ςθμείο P) είναι πλιρωσ μεταςχθματιςμζνα ςε φερρίτθ. Σε περαιτζρω ψφξθ παράγεται ςεμεντίτθσ όταν φτάςει τθ γραμμι P-Q μόνο όταν θ ικανότθτα του α-φερρίτθ ςτθ διάλυςθ του άνκρακα μειϊνεται από το μζγιςτο 0.02% 2.3-6/25

44 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ ςτουσ 723 C ςτο % ςε κερμοκραςία δωματίου. Αυτό το καρβίδιο ςιδιρου το οποίο επίςθσ ονομάηεται τριτογενισ ςεμεντίτθσ κατακρθμνίηεται κυρίωσ ςτα ςφνορα των κόκκων. Περιεκτικότθτα 0.02 % <C< 0.8 % Κακϊσ τα κράματα που ζχουν περιεκτικότθτα άνκρακα > 0.02 % ψφχονται κάτω από τθν γραμμι GS ζνα μζροσ του ωςτενίτθ κα αρχίςει να μεταςχθματίηεται ςε φερρίτθ. Αυτόσ ο φερρίτθσ που ςχθματίηεται κατά τθν ψφξθ μεταξφ των κερμοκραςιϊν Α 3 -Α 1 ονομάηεται προευτθκτοειδισ φερρίτθσ γιατί ςχθματίηεται ςε κερμοκραςίεσ υψθλότερεσ τθσ Α 1 πριν πραγματοποιθκεί θ ευτθκτοειδισ αντίδραςθ. Με τθν ζναρξθ του ευτθκτοειδοφσ μεταςχθματιςμοφ ο υπολειπόμενοσ ωςτενίτθσ που ζχει εμπλουτίςτεί μζχρι και 0.8 % C μεταςχθματίηεται ευτθκτοειδϊσ ςφμφωνα με τθν αντίδραςθ: γ-fe => α-fe + Fe 3 C. Θ τελικι ευτθκτοειδισ δομι ονομάηεται περλίτθσ και ςχθματίηεται από εναλλαςςόμενεσ ςτρϊςεισ φερρίτθ και ςεμεντίτθ όπωσ οι ςτοιβάδεσ ενόσ κρεμμυδιοφ. Θ αναλογία των φάςεων του περλίτθ μετριζται με τον κανόνα του μοχλοφ ςε περίπου 88% φερρίτθ και 12% ςεμεντίτθ. Θ κατάςταςθ δεν αλλάηει ςθμαντικά κατά τθν περαιτζρω ψφξθ του χάλυβα ςε κερμοκραςία δωματίου και ζτςι αυτοί οι χάλυβεσ ζχουν μία τελικι δομι που αποτελείται από προευτθκτοειδι φερρίτθ και περλίτθ. Αυτά τα κράματα επίςθσ ονομάηονται υποευτθκτοειδείσ χάλυβεσ. Περιεκτικότθτα 0.8 % <C<2.06 % Τα κράματα που ζχουν περιεκτικότθτα άνκρακα μεταξφ 0.8 % και 2.06 % - αντιςτοίχωσ ονομάηονται υπερευτθκτοειδείσ χάλυβεσ - κα κατακρθμνίςουν, όπωσ ζχει ιδθ αναφερκεί, το δευτερογενι ςεμεντίτθ ζξω από τον ωςτενίτθ όταν φτάνουν τθ γραμμι E-S. Ο υπολειπόμενοσ ωςτενίτθσ που ζχει παραμείνει ςτθν ευτθκτοειδι κερμοκραςία των 723 C κα μεταςχθματιςτεί ξανά ευτθκτοειδϊσ, με αποτζλεςμα θ δομι ςε αυτι τθν περιοχι να είναι αποτελοφμενθ από δευτερογενι ςεμεντίτθ και περλίτθ ςε κερμοκραςία δωματίου. Περιεκτικότθτα C>2.06 % Τα κράματα με περιεκτικότθτα C μεταξφ 2.06 % και 4.3 % ζχουν ςε κερμοκραςία δωματίου μία δομι αποτελοφμενθ από περλίτθ που προκφπτει από το μεταςχθματιςμό του ωςτενίτθ ςε 723 C, κακϊσ και δευτερογνει ςεμεντίτθ και λεδεβουρίτθ. Αυτόσ ο λεδεβουρίτθσ ςε ανίτκεςθ με αυτόν που είναι ςτακερόσ μεταξφ 723 C και 1147 C δεν αποτελείται από ωςτενίτθ και ςεμεντίτθ αλλά από περλίτθ και ςεμεντίτθ κακϊσ ο ωςτενίτθσ δεν είναι ςτακερόσ κάτω από 723 C. Για αυτό τον λόγο ονομάηεται λεδεβουρίτθσ II. Τα κράματα που ζχουν περιεκτικότθτα άνκρακα υψθλότερθ από 4.3 % αποτελοφνται από πρωτογενι ςεμεντίτθ και λεδεβουρίτθ II ςε κερμοκραςία δωματίου. Το ςχιμα 6 δίνει το 2.3-7/25

45 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ διάγραμμα ςιδιρου - άνκρακα δείχνοντασ τισ δομζσ που ςχθματίηονται από τισ διάφορεσ φάςεισ. Σχιμα 6. Διάγραμμα ςιδιρου άνκρακα με προςδιοριςμό των δομϊν /25

46 2. Ωζηενιηικός Μεηαζχημαηιζμός 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Κατά τθ διάρκεια τθσ παραγωγισ μζχρι το τελικό προϊόν οι χάλυβεσ κερμαίνονται και ψφχονται ξανά, ςε μερικζσ περιπτϊςεισ περιςςότερο από μία φορά. Οι διαφορετικοί τφποι κερμικϊν διεργαςιϊν μποροφν να περιγραφοφν από ζνα κερμοκραςιακό κφκλο αποτελοφμενο από κερμότθτα, παραμονι ςε αυτι τθ κερμοκραςία (απορρόφθςθ), και ψφξθ. Με μερικζσ κερμικζσ διεργαςίεσ όπωσ θ εξομάλυνςθ και θ ςκλιρυνςθ οι χάλυβεσ κερμαίνονται ςε μια οριςμζνθ κερμοκραςία ωςτενιτοποίθςθσ, και μετά τθν παραμονι ςε αυτι ψφχονται ξανά. Θ δομι που αποκτάται με τθ ψφξθ εξαρτάται από τθ ταχφτθτα ψφξθσ. όπωσ φαίνεται παρακάτω ςτο ςχιμα 7. Σχιμα 7. Δομι του ίδιου χάλυβα ςε διαφορετικι ταχφτθτα ψφξθσ. Το διάγραμμα ςιδιρου-άνκρακα είναι ζνα διάγραμμα ιςορροπίασ, δθλ. οι γραμμζσ και οι μεταςχθματιςμοί ιςχφουν για "απείρωσ" αργι ψφξθ. Στο ςχιμα 8 φαίνονται οι αλλαγζσ ςτουσ μεταςχθματιςμοφσ φάςεων που προκφπτουν ανάλογα με τθν ταχφτθτα ψφξθσ. Με αργζσ ταχφτθτεσ ψφξθσ τα ςθμεία Ar 3 και Ar 1 είναι εμφανϊσ διαχωριςμζνα το ζνα με το άλλο. Μια δομι αποτελοφμενθ από φερρίτθ και περλίτθ κα ςχθματιςτεί. Θ αφξθςθ τθσ ταχφτθτασ ψφξθσ οδθγεί ςτο γεγονόσ ότι τα ςθμεία Ar 3 και το Ar 1 κα ςυμπζςουν (ςθμείο Ar'). Σε περαιτζρω αφξθςθ τθσ ταχφτθτασ ψφξθσ το ςθμείο Ar 1 κα χαμθλϊςει. Θ δομι αποτελείται από λεπτό φυλλοειδι περλίτθ. Ξεκινϊντασ ςε μία ςυγκεκριμζνθ ταχφτθτα ψφξθσ - θ "χαμθλότερθ κρίςιμθ ταχφτθτα ψφξθσ" για πρϊτθ φορά ςτθν δομι κα ςχθματιςτεί μαρτενςίτθσ. Μια περαιτζρω αφξθςθ ςτθν ταχφτθτα ψφξθσ τελικά οδθγεί ςε μία κακαρι μαρτενιςτικι δομι. Θ ταχφτθτα ψφξθσ που 2.3-9/25

47 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ απαιτείται για μεταςχθματιςμό τθσ δομισ 100% ςε μαρτενςίτθ, ονομάηεται θ "ανϊτερθ κρίςιμθ ταχφτθτα ψφξθσ". Σχιμα 8. Επιρροι του βακμοφ ψφξθσ ςτα μεταβατικά ςθμεία ενόσ χάλυβα με 0.45% C. Ππωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα 8, οι δομζσ ανάλογα με τισ παραμζτρουσ που επιλζχκθκαν όπωσ θ κερμοκραςία ωςτενιτοποίθςθσ και θ ταχφτθτα ψφξθσ μποροφν να ταξινομθκοφν ςε τρείσ ομάδεσ αντίςτοιχεσ με τουσ μθχανιςμοφσ ςχθματιςμοφ τουσ. Τα εφρθ κερμοκραςίασ /25

48 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ είναι ζντονα εξαρτϊμενα από τθν περιεκτικότθτα ςε κραματικά ςτοιχεία και από τισ ςυνκικεσ ψφξθσ. Στάδιο περλίτθ Ο μεταςχθματιςμόσ του περλίτθ είναι ζνασ ευτθκτοειδισ μεταςχθματιςμόσ, ο οποίοσ βαςίηεται ςε διάχυςθ και μπορεί να περιγραφεί με τθ βοικεια του διαγράμματοσ φάςεων των Fe-C. Υπάρχουν τρία κφρια βιματα ςτο μεταςχθματιςμό του περλίτθ όπωσ φαίνεται και ςτο ςχιμα 9. Αρχικά ςε ςθμεία κοντά ςτα όρια των κόκκων του ωςτενίτθ μζςω διάχυςθσ του άνκρακα μερικζσ περιοχζσ του ωςτενίτθ είναι απεμπλουτιςμζνεσ ςε αυτό το ςτοιχείο και άλλεσ είναι υπερκορεςμζνεσ. Οι απεμπλουτιςμζνεσ περιοχζσ του ωςτενίτθ μεταςχθματίηονται ςε φερρίτθ. Γφρω από τθν φάςθ του φερρίτθ πραγματοποιείται ο ςχθματιςμόσ του ςεμεντίτθ. Ο μθχανιςμόσ αυτόσ ςυνεχίηεται με τθν διάχυςθ του άνκρακα και τθν μετατροπι του ωςτενίτθ ςε φερρίτθ και ςεμεντίτθ. Ο ςχθματιςμόσ τθσ περλιτικισ δομισ γίνεται ςτα όρια των κόκκων του ωςτενίτθ. Σχιμα 9. Μθχανιςμόσ ςχθματιςμοφ του περλίτθ. Στάδιο μαρτενςίτθ Ο μαρτενςιτικόσ μεταςχθματιςμόσ είναι μθ διαχυτικόσ αφοφ δεν προχποκζτει διάχυςθ για τθν πραγματοποίθςθ του. Στθν ουςία ο μαρτενςίτθσ ςχθματίηεται με διάτμθςθ τθσ μθτρικισ φάςθσ του ωςτενίτθ. Σε πολφ γριγορθ ψφξθ και χαμθλζσ κερμοκραςίεσ τα άτομα δεν μποροφν να διαχυκοφν ςτο διακζςιμο χρόνο. Στο όριο φάςθσ γ/α κα ςχθματιςτεί μαρτενςίτθσ από μία "ξαφνικι" διάτμθςθ του ωςτενιτικοφ πλζγματοσ και μια ςυνεργατικι κίνθςθ διάτμθςθσ των ατόμων. Με αυτόν τον τρόπο, δε κα πραγματοποιθκεί καμία /25

49 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ εξιςορρόπθςθ τθσ ςυγκζντρωςθσ ςτουσ κρυςτάλλουσ του α-fe που είναι εμπλουτιςμζνοι με άνκρακα. Ο μεταςχθματιςμόσ του μαρτενςίτθ είναι γενικά ακερμικόσ, το ποςοςτό του μαρτενςίτθ δεν αυξάνεται με τον χρόνο, αλλά αυξάνεται με τθν πτϊςθ τθσ κερμοκραςίασ κατά τθν ψφξθ ςε μία ςυγκεκριμζνθ κερμοκραςιακι περιοχι που κακορίηεται από τισ κερμοκραςίεσ Μ s και Μ f, που αντιςτοιχοφν ςτθν ζναρξθ και τθν λιξθ του μεταςχθματιςμοφ. Στάδιο μπαινίτθ Ο ςχθματιςμόσ του μπαινίτθ ςυμβαίνει ςε υψθλότερεσ κερμοκραςίεσ και μικρότερεσ ταχφτθτεσ ψφξθσ από αυτζσ του μαρτενςίτθ. Και ο μπαινίτθσ ςχθματίηεται ςε τρία βιματα όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 10. Αρχικά ςτα όρια των κόκκων του ωςτενίτθ ςχθματίηεται φερρίτθσ υπερκορεςμζνοσ ςε άνκρακα. Στθν ςυνζχεια μζςω μίασ διεργαςίασ διάχυςθσ οι βελόνεσ του φερρίτθ μεγαλϊνουν και ο άνκρακασ διαχωρίηεται ςχθματίηοντασ ςεμεντίτθ. Σχιμα 10. Μθχανιςμόσ ςχθματιςμοφ του μπαινίτθ. Ο μπαινιτικόσ μεταςχθματιςμόσ ςυνεχίηεται με τθν ανάπτυξθ των πλακιδίων του φερρίτθ και τον διαχωριςμό του ςεμεντίτθ. Ο μπαινιτικόσ μεταςχθματιςμόσ διαφζρει από τον μαρτενςιτικό ςτο γεγονόσ ότι απαιτεί διάχυςθ των ατόμων του άνκρακα για να πραγματοποιθκεί. Μία άλλθ διαφορά είναι ότι ο μπαινιτικόσ μεταςχθματιςμόσ δεν είναι ακερμικόσ. Πταν πραγματοποιείται ιςόκερμα, το ποςοςτό του μπαινίτθ που ςχθματίηεται εξαρτάται από τον χρόνο. Ανάλογα με τθν κερμοκραςία ςχθματιςμοφ διακρίνουμε τον μπαινίτθ ςε άνω μπαινίτθ (upper bainite) που ςχθματίηεται μεταξφ 400 και 500 C, και κάτω μπαινίτθ (lower bainite) που πραγματοποιείται μεταξφ 250 και 400 C. Θ διαφορά είναι ότι ςτον άνω μπαινίτθ ο ςεμεντίτθσ ςχθματίηεται ανάμεςα ςτα πλακίδια του μπαινιτικοφ φερρίτθ, ενϊ ςτον κάτω μπαινίτθ, ο ςεμεντίτθσ ςχθματίηεται μζςα ςτα πλακίδια του μαπινιτικοφ φερρίτθ /25

50 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Οι μθχανικζσ ιδιότθτεσ του χάλυβα εξαρτϊνται από τθ κερμοκραςία μεταςχθματιςμοφ ςτθν οποία πραγματοποιείται ο μεταχθματιςμόσ ωςτενίτθ ςε περλίτθ, μπαινίτθ ι μαρτενςίτθ. Στθν εικόνα 11 πιο κάτω φαίνεται θ εξάρτθςθ των μθχανικϊν ιδιοτιτων ενόσ μθ κραματωμζνου χάλυβα με ςφςταςθ 0.78 % C, 0.18 % Si και 0.63 % Mn από τθν κερμοκραςία μεταςχθματιςμοφ του ωςτενίτθ. Μζγεκοσ κόκκων ASTM 8-9. Σχιμα 11. Εξάρτθςθ των μθχανικϊν ιδιοτιτων χάλυβα με 0.78% άνκρακα από τθν κερμοκραςία μεταςχθματιςμοφ του ωςτενίτθ. 3. ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΤΤΤ ΚΑΙ CCT Ζνα διάγραμμα ΤΤΤ (Time-Temperature-Ttansformation) περιγράφει τον μεταςχθματιςμό του ωςτενίτθ κατά τθν ψφξθ του με διάφορουσ ρυκμοφσ και τισ δομζσ που παράγονται. Αν οι κερμοκραςίεσ μεταςχθματιςμοφ ειςαχκοφν ςε αυτό το διάγραμμα, τότε δθμιουργείται μία χαρακτθριςτικι καμπφλθ ψφξθσ, ζχοντασ ςαν επιπλζον πλθροφορίεσ τθν δομικι ςφςταςθ και τθ ςκλθρότθτα. Ραράδειγμα ενόσ τζτοιου διαγράμματοσ φαίνεται ςτο ςχιμα 12. Κατά τθ διάρκεια τθσ ςυνεχοφσ ψφξθσ του ωςτενίτθ και περνϊντασ τθ γραμμι- Ar 3 κα αρχίςει ο ςχθματιςμόσ του φερρίτθ. Με περαιτζρω ψφξθ ο μεταςχθματιςμόσ του φερρίτθ ολοκλθρϊνεται ςτθν γραμμι- Ar1(55 %). Σε αυτό το ςθμείο ξεκινάει ο ςχθματιςμόσ /25

51 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ του περλίτθ μζχρι το ςθμείο Ar1e και πλζον δεν πραγματοποιείται κανζνασ άλλοσ ςχθματιςμόσ. Σχιμα 12. Καμπφλθ κερμοκραςίασ - χρόνου ενόσ δοκιμίου χάλυβα. Θ μικροδομι του χάλυβα ζχει περιεκτικότθτα 55 % φερρίτθ και 45 % περλίτθ. Τζτοια καμπφλθ ψφξθσ λαμβάνεται μόνο για μία ταχφτθτα ψφξθσ. Μία υψθλότερθ ταχφτθτα ψφξθσ κα μετατοπίςει τθν καμπφλθ ςτα αριςτερά. Σε αυτζσ τισ περιπτϊςεισ μπορεί να βρεκοφν άλλεσ δομζσ κάτω από το φερρίτθ και τον περλίτθ όπωσ ο μπαινίτθσ και/ι ο μαρτενςίτθσ. Ανεξάρτθτα από τθν ταχφτθτα ψφξθσ όλεσ οι ψφξεισ είναι ςυνεχείσ. Ζνα πλιρεσ διάγραμμα ΤΤΤ για χάλυβα 25CrMo4 φαίνεται ςτο ςχιμα 13. Ρολφ ςυχνά αυτά τα διαγράμματα αναφζρονται ωσ CCT (Continous Cooling Transformation) και περιλαμβάνουν εκτόσ των διαφόρων καμπφλων ψφξθσ, τισ περιοχζσ που κακορίηουν τισ δομζσ του χάλυβα, τθν ςκλθρότθτα τθσ κάκε δομισ και τα τελικά ποςοςτά τθσ κάκε φάςθσ για τουσ διάφορουσ ρυκμοφσ ψφξθσ. Με χριςθ ενόσ τζτοιου διαγράμματοσ μποροφμε να πάρουμε πολλζσ χριςιμεσ πλθροφορίεσ όπωσ οι κρίςιμεσ ταχφτθτεσ ψφξθσ και ο χρόνοσ t 8/5 Θ περιεκτικότθτα του χάλυβα ςε διάφορα κραματικά ςτοιχεία,μετατοπίηει τισ καμπφλεσ ενόσ διαγράμματοσ ΤΤΤ με ποικίλουσ τρόπουσ είτε ςε διαφορετικά χρονικά διαςτιματα, είτε ςε διαφορετικζσ περιοχζσ κερμοκραςιϊν. (S) /25

52 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Σχιμα 13. Ρλιρεσ διάγραμμα ΤΤΤ για χάλυβα 25CrMo4. Σχιμα 14. Ρλιρεσ διάγραμμα ΤΤΤ για χάλυβα 25CrMo4 με κερμοκραςία ωςτενιτοποίθςθσ τουσ 1050 C /25

53 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Τα διαγράμματα CCT ςυγκόλλθςθσ είναι ικανά να προβλζψουν τθν ςυγκολλθςιμότθτα ενόσ υλικοφ, ειδικά να υποδείξουν τθν κατϊτερθ και ανϊτερθ κρίςιμθ ταχφτθτα ψφξθσ. Οι διαφορζσ ενόσ διαγράμματοσ CCT ςυγκόλλθςθσ και ενόσ ςυμβατικοφ διαγράμματοσ CCT είναι: Τα διαγράμματα CCT που προςομοιάηουν μία διεργαςία ςυγκόλλθςθσ ζχουν υψθλότερθ κερμοκραςία ωςτενιτοποίθςθσ. Χαρακτθρίηονται επίςθσ από υψθλότερθ ταχφτθτα ψφξθσ ςε ςχζςθ με τα ςυμβατικάδιαγράμματα CCT αυτά τα διαγράμματα είναι ζγκυρα μόνο για τθν Θερμικά Επθρεαςμζνθ Ηϊνθ (ΘΕΗ) και όχι για το μζταλλο τθσ ςυγκόλλθςθσ. Στα ςχιματα 16 και 17 παρακάτω φαίνονται τα διαγράμματα CCT για τον χάλυβα υψθλισ αντοχισ S690Qγια μία κανονικι διεργαςία ωςτενιτοποίθςθσ και για μία ςυγκόλλθςθ αντίςτοιχα. Μία παραλλαγι των διαγραμμάτων ΤΤΤ είναι τα ιςοκερμικά ΤΤΤ διαγράμματα. Αυτά τα διαγράμματα ζχουν εφαρμογι μόνο ςτον μεταςχθματιςμό του ωςτενίτθ ςε μία ςυγκεκριμζνθ και ςτακερι κερμοκραςία μετά από γριγορθ ψφξθ ςε αυτι τθν κερμοκραςία. Λόγω τθσ ιςοκερμικισ κατεργαςίασ ο ωςτενίτθσ κα μεταςχθματιςτεί ςε άλλεσ φάςεισ όπωσ φερρίτθσ ι περλίτθσ. Οι ιςοκερμικζσ κερμικζσ κατεργαςίεσ που περιγράφουν αυτά τα διαγράμματα είναι χριςιμεσ για τον ςχθματιςμό δομϊν οι οποίεσ δεν είναι δυνατόν να παραχκοφν με μία διαδικαςία ςυνεχοφσ ψφξθσ όπωσ π.χ. ο μεταςχθματιςμόσ του ωςτενίτθ ςε 100% μπαινίτθ 'οπωε φαίνεται και ςτο ςχιμα 15 πιο κάτω. Σχιμα 15. Ιςοκερμικό διάγραμμα ΤΤΤ για χάλυβα 25CrMo4 με μεταςχθματιςμό 100% ςε μπαινίτθ /25

54 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Σχιμα 15. Ρλιρεσ διάγραμμα ΤΤΤ για χάλυβαυψθλισ αντοχισ S690Q με κερμοκραςία ωςτενιτοποίθςθσ τουσ 900 C. Θ κάτω εικόνα παρουςιάηει τισ ιδιότθτεσ πουπροκφπτουν για διαφορετικοφσ ρυκμοφσ ψφξθσ /25

55 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Σχιμα 16. Ρλιρεσ διάγραμμα ΤΤΤ για χάλυβαυψθλισ αντοχισ S690Q με κερμοκραςία ωςτενιτοποίθςθσ τουσ 1300 C (προςομοίωςθ ςυγκόλλθςθσ). Θ κάτω εικόνα παρουςιάηει τισ ιδιότθτεσ που προκφπτουν για διαφορετικοφσ ρυκμοφσ ψφξθσ /25

56 4. Επίδραζη ηων Κραμαηικών Σηοιχείων 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Το DIN EN ορίηει ςαν χάλυβα ζνα υλικό που περιζχει κατά βάροσ περιςςότερο ςίδθρο από οποιοδιποτε άλλο ελεφκερο ςτοιχείο, ζχοντασ μία περιεκτικότθτα άνκρακα χαμθλότερθ από 2 % και περιζχοντασ άλλα ςτοιχεία. Θ ςυνολικι περιεκτικότθτα των κραματικϊν ςτοιχείων κα μποροφςε να είναι πάνω από 50 %, για παράδειγμα 55 %, που ςθμαίνει 25 % Cr και 30 % Ni. Θ υπόλοιπθ περιεκτικότθτα προζρχεται από ςίδθρο. Ζνασ περιοριςμζνοσ αρικμόσ χαλφβων χρωμίου μπορεί να περιζχει περιςςότερο από 2 % άνκρακα, αλλά 2 % είναι θ ςυνικθσ διαχωριςτικι γραμμι μεταξφ χάλυβα και χυτοςίδθρου. Για να αλλάξουμε τθν ποιότθτα ενόσ χάλυβα είναι απαραίτθτο να πάρουμε πλθροφορίεσ για τθν ανάλυςθ και τθ κερμικι κατεργαςία του υλικοφ. Οι ακόλουκεσ παράγραφοι περιγράφουν τθν επιρροι διάφορων κραματικϊν ςτοιχείων ςτθν ιδιότθτεσ του υλικοφ. Επίδραςθ του Άνκρακα. Ο άνκρακασ είναι το βαςικό κραματικό ςτοιχείο ςτο οποίο οφείλουν οι χάλυβεσ τισ μθχανικζσ τουσ ιδιότθτεσ. Σαν ζνα κραματικό ςτοιχείο παρεμβολισ, αυξάνει τθν ςκλθρότθτα, τθν αντοχι ςε εφελκυςμό και τθν ικανότθτα του χάλυβα να υποςτεί ςκλιρυνςθ. Αντίκετα μειϊνει τθν ολκιμότθτα του υλικοφ, τθν ικανότθτα του να παραμορφωκεί και τθν ςυγκολλθςιμότθτα του. Θ εκτίμθςθ ενόσ υλικοφ ωσ προσ τθν ςυγκολλθςιμότθτα του βαςίηεται ςτθν χθμικι ςφςταςθ του υλικοφ. Ενϊ επιπλζον, μπορεί να αξιολογθκεί και θ ςυμπεριφορά ςκλιρυνςθσ του υλικοφ ςε δοκιμζσ κροφςθσ (notched bar test). Το πιο ςθμαντικό ςτοιχείο για τθν εκτίμθςθ τθσ χθμικισ ςφςταςθσ ενόσ υλικοφ όςον αφορά τθν ςυγκόλλθςιμότθτα του είναι ο άνκρακασ. Ρεριεκτικότθτεσ άνκρακα ζωσ και 0.22 % κεωροφνται γενικά αποδεκτζσ για τθν καταλλθλόλθτα ενόσ μθ κραματωμζνου υλικοφ για ςυγκόλλθςθ. Σε αυτι τθν περίπτωςθ, λζμε ότι το υλικό είναι ςυγκολλιςιμο. Χάλυβεσ αυτισ τθσ κατθγορίασ μποροφν να ςυγκολλθκοφν μζχρι ζνα πάχοσ 20mm χωρίσ προκζρμανςθ. Υψθλότερεσ περιεκτικότθτεσ άνκρακα οδθγοφν ςε ενανκράκωςθ του χάλυβα και ςε παραγωγι ςκλθρϊν φάςεων μαρτενςίτθ ςτθν ΘΕΗ κατά τθν γριγορθ ψφξθ που ςυνοδεφει μία ςυγκόλλθςθ. Ο ςυνδυαςμόσ ςκλθρϊν φάςεων με τισ παραμζνουςεσ τάςεισ ςε μία ςυγκόλλθςθ και τθν φπαρξθ υδρογόνου είναι οι κφριεσ αιτίεσ εμφάνιςθσ ρωγματϊςεων υδρογόνου. Συνεπϊσ, αυτοί οι χάλυβεσ πρζπει να προκερμανκοφν πριν τθ ςυγκόλλθςθ, με ςκοπό τθν αποφυγι πολφ γριγορθσ ψφξθσ και υψθλισ ςκλθρότθτασ ςκλθρότθτασ λόγω τθσ δθμιουργίασ μαρτενςίτθ,οδθγϊντασ ζτςι ςε ψακυρότθτα και εμφάνιςθ ρωγμϊν. Χάλυβεσ με περιεκτικότθτα άνκρακα υψθλότερθ από περίπου 0.5 % δεν κεωροφνται κατάλλθλοι για ςυγκόλλθςθ τόξου. Το ςχιμα 17 δείχνει τθν μεταβολι βαςικϊν μθχανικϊν ιδιοτιτων ενόσ χάλυβα ςε ςχζςθ με τθν περιεκτικότθτα ςε άνκρακα /25

57 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Σχιμα 17. Μεταβολι μθχανικϊν ιδιοτιτων ςτουσ χάλυβεσ ςε ςχζςθ με τθν περιεκτικότθτα ςε άνκρακα. Πυρίτιο Θ περιεκτικότθτα ενόσ υλικοφ ςε πυρίτιο δίνει πλθροφορίεσ για το ςτάδιο αποξείδωςθσ του υλικοφ. Οι χάλυβεσ με χαμθλζσ περιεκτικότθτεσ ςε πυρίτιο ζωσ περίπου 0.1 % Si ονομάηονται μθ κακθςυχαςμζνοι (unkilled) και κατά τθν χφτευςθ παρουςιάηουν ιςχυρζσ μακροςκοπικζσ ηϊνεσ διαφοριςμοφ. Αυτζσ οι ηϊνεσ ζχουν υψθλότερεσ περιεκτικότθτεσ C, P, S, οδθγϊντασ ζτςι ςε προβλιματα κατά τθ διάρκεια τθσ ςυγκόλλθςθσ. Οι χάλυβεσ με περιεκτικότθτεσ Si από περίπου 0.1 μζχρι 0.8 % είναι θμίκακθςυχαςμζνοι ι πλιρωσ κακθςυχαςμζνοι και δεν ζχουν εκτεταμζνθ ηϊνθ διαφοριςμοφ. Αυτοί οι χάλυβεσ ζχουν καλι ςυγκόλλθςιμότθτα. Χάλυβεσ με περιεκτικότθτεσ Si υψθλότερεσ από περίπου 0.8% είναι ψακυροί εξαιτίασ αυτϊν των περιεκτικοτιτων ςε Si και ζχουν περιοριςμζνθ ςυγκολλθςιμότθτα /25

58 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Αλουμίνιο Το αλουμίνιο είναι ζνα επικυμθτό ςτοιχείο ςτουσ χάλυβεσ. Ζχει τθν ικανότθτα να ςυνδυάηεται με το άηωτο ςχθματίηοντασ νιτρίδια. Ωσ αποτζλεςμα αυτοφ, ο χάλυβασ αποκτά μία ςτακερότθτα ςε φαινόμενα γιρανςθσ. Επιπροςκζτωσ, τα ςχθματιηόμενα νιτρίδια του αργιλίου προάγουν τθν πυρινωςθ, ζτςι ϊςτε μία κερμικι κατεργαςία για ομαλοποίθςθ να μασ δίνει χάλυβα με λεπτόκοκκθ δομι αυξάνοντασ ζτςι τθν αντοχι και τθν ολκιμότθτα του κράματοσ. Τα ευεργετικά αποτελζςματα τθσ εκλζπτυνςθσ του κόκκου (fine grained steels) επιτυγχάνονται ςε περιεκτικότθτεσ αργιλίου μεταξφ % Al. Θ μζγιςτθ περιεκτικότθτα κα πρζπει ςφμφωνα με το DIN EN 10020, να μθν υπερβαίνει το 0.1 %. Για αυτό τον λόγο το Αl ανικει ςτα λεγόμενα μικροκραματικά ςτοιχεία. Μαγγάνιο Θ περιεκτικότθτα ςε μαγγάνιο ενόσ χάλυβα είναι μετά τθν περιεκτικότθτα του ςε C κακοριςτικι για τθν αντοχι και τθν ικανότθτα ςκλιρυνςθσ ενόσ χάλυβα. Ρροκειμζνου να πάρουμε ζνα χάλυβα κατάλλθλο για χριςθ, αυτόσ πρζπει να περιζχει τουλάχιςτον 0.2 % Mn, με ςκοπό να δεςμευτοφν οι υπολειπόμενεσ περιεκτικότθτεσ του κείου ςε MnS, δίνοντασ ζτςι ςτον χάλυβα επαρκι δυςκραυςτότθτα (toughness). Οι δομικοί χάλυβεσ όπωσ π.χ ο τφποσ S235 περιζχουν περίπου 0.4 με 0.6 % Mn. Ππωσ το πυρίτιο το μαγγάνιο χρθςιμοποιείται για τθν αποξείδωςθ του τιγματοσ ζτςι ϊςτε χάλυβεσ με περιεκτικότθτεσ Mn πάνω από περίπου 0.6 % μποροφν να ταξινομθκοφν ωσ κακθςυχαςμζνοι. Υψθλότερεσ περιεκτικότθτεσ Mn πρόκειται να βρεκοφν ςε ποιότθτεσ S355 κακϊσ και ςτουσ λεπτόκοκκουσ καταςκευαςτικοφσ χάλυβεσ όπου οι περιεκτικότθτεσ Mn κυμαίνονται μεταξφ 1.0 και 1.6 %. Με αυτζσ τισ περιεκτικότθτεσ ςε ςυνδυαςμό με τθν περιεκτικότθτα C θ καταλλθλότθτα για ςυγκόλλθςθ επθρεάηεται αιςκθτά. Χάλυβεσ τζτοιων τφπων πρζπει να προκερμανκοφν για ςυγκόλλθςθ ξεκινϊντασ με ζνα πάχοσ τοιχϊματοσ περίπου 20 mm. Χάλυβεσ με μία υψθλότερθ περιεκτικότθτα Mn δεν χρθςιμοποιοφνται εκτόσ από τουσ Mnκραματωμζνουσ ωςτενιτικοφσ χάλυβεσ, κακϊσ αυτοί οι χάλυβεσ παρουςιάηουν ςθμαντικά μειωμζνεσ ιδιότθτεσ ςτθν δυςκραυςτότθτα (toughness) Φώςφοροσ Ο φϊςφοροσ μπορεί να διαλυκεί μζςα ςτο χάλυβα ςε κερμοκραςία δωματίου μόνο ςε μικρζσ ποςότθτεσ. Σε υψθλότερεσ περιεκτικότθτεσ κατακρθμνίηεται ωσ Fe 3 P. Σε μθ κακθςυχαςμζνουσ χάλυβεσ ο φϊςφοροσ κατακρθμνίηεται πολφ ζντονα και ςυγκεντρϊνεται ςτο κζντρο του χυτοφ. Ο φϊςφοροσ ζχει μία ιδιαιτζρωσ αρνθτικι επιρροι ςτθν δυςκραυςτότθτα ενόσ χάλυβα όπου οι παράμετροι παραμόρφωςθσ, ςυγκεκριμζνα θ ολκιμότθτα του υλικοφ μειϊνεται ςθμαντικά. Με άλλα λόγια, ο φϊςφοροσ μειϊνει τθ κερμοκραςία μετάβαςθσ ςτισ ιδιότθτεσ /25

59 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ κροφςθσ του χάλυβα. Το άηωτο και ο φϊςφοροσ μαηί μειϊνουν τθν αντίςταςθ ενόσ χάλυβα ςε γιρανςθ. Ο φϊςφοροσ ςτο χάλυβα ζχει μία κετικι επιρροι ςτθν επεξεργαςιμότθτα και ςτθν αντίςταςθ ςτθν ατμοςφαιρικι διάβρωςθ του χάλυβα. Ωςτόςο, ο Φϊςφοροσ ζχει μία αρνθτικι επιρροι ςτθν καταλλθλότθτα του χάλυβα για ςυγκόλλθςθ. Ξεκινϊντασ με μία περιεκτικότθτα φωςφόρου περίπου 0.06 % οι χάλυβεσ δεν κεωροφνται ςυγκολλιςιμοι. Οι καταςκευαςτικοί χάλυβεσ που χρθςιμοποιοφνται ςιμερα περιζχουν περίπου 0.02 % με % φϊςφορο. Θείο Το κείο μπορεί μόνο ςε πολφ μικρζσ ποςότθτεσ να διαλυκεί ςε χάλυβα και ςυχνά μπορεί να κεωρθκεί ωσ αδιάλυτο. Μαηί με το ςίδθρο και το οξυγόνο ςχθματίηει χαμθλισ τιξθσ ευτθκτικζσ ενϊςεισ που ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ πάνω από περίπου 950 C οδθγοφν ςε ςχθματιςμό ρωγμϊν εν κερμϊ και ςε κερμοκραςίεσ κοντά 800 C μπορεί να οδθγιςουν ςε ψακυρι κραφςθ. Το κείο κατακρθμνίηεται ςε μθ κακθςυχαςμζνουσ χάλυβεσ και ςυγκεντρϊνεται ςτο κζντρο. Εξαιτίασ αυτοφ του λόγου, το κείο είναι ανεπικφμθτο ςε χάλυβεσ και από τθν πλευρά τθσ ςυγκόλλθςθσ είναι το ςτοιχείο που περιορίηει ςθμαντικά τθν ςυγκολλθςιμότθτα ενόσ χάλυβα. Σε καταςκευαςτικοφσ χάλυβεσ θ περιεκτικότθτα κείου είναι ςυνεπϊσ περιοριςμζνθ ςε περιεκτικότθτεσ χαμθλότερεσ από 0.06 %, με ανοξείδωτουσ χάλυβεσ οι περιεκτικότθτεσ είναι ακόμα χαμθλότερεσ από 0.03 %. Ωςτόςο, αυτζσ οι χαμθλζσ περιεκτικότθτεσ πρζπει να δεςμευτοφν από το μαγγάνιο προκειμζνου να ζχουμε ζνα χάλυβα κατάλλθλο προσ χριςθ. Σε υψθλζσ κερμοκραςίεσ, το μαγγάνιο ςχθματίηει με το κείο τθν ζνωςθ MnS που ςε ζναν ελαςμζνο χάλυβα μπορεί να γίνει ορατι ςαν κατακριμνιςθ που μοιάηει με ςκουλικι ςτθ μικροδομι ι γίνεται ορατι μζςω μιασ μεγάλθσ μεγζκυνςθσ. Αυτζσ οι κατακρθμνίςεισ, κάτω από τάςεισ ςτθν διεφκυνςθ του πάχουσ του ελάςματοσ, μπορεί πικανϊσ να οδθγιςουν ςε διαςτρωματικι ρθγμάτωςθ (lamellar tearing). Άηωτο Το άηωτο μπορεί να διαλυκεί ςε χάλυβεσ μζχρι μία ςυγκεκριμζνθ ποςότθτα. Σε κερμοκραςία δωματίου θ διαλυτότθτα, ωςτόςο, είναι χαμθλι. Μειϊνοντασ τθ κερμοκραςία, το περιεχόμενο άηωτο κατακρθμνίηεται υπό τθν μορφι νιτριδίων μετά από μεγαλφτερο χρόνο. Αυτζσ οι κατακρθμνίςεισ είναι ςχετικά αργζσ και ςυνεχίηονται για διάρκεια μζχρι και 50 χρόνια ςε κερμοκραςία δωματίου. Αυτόσ ο τφποσ κατακριμνιςθσ που ςυνδζεται με ςθμαντικι ψακυρότθτα ονομάηεται επίςθσ φυςικι γιρανςθ. Υψθλότερεσ κερμοκραςίεσ και ψυχρζσ παραμορφϊςεισ κακϊσ και ςυγκεκριμζνεσ περιεκτικότθτεσ P, O και C ενκαρρφνουν αυτι τθ γιρανςθ /25

60 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Μζςω τθσ ανόπτθςθσ θ ψακυρότθτα εξαιτίασ τθσ γιρανςθσ μπορεί να απομακρυνκεί. Θ ευαιςκθςία ενόσ χάλυβα για γιρανςθ δοκιμάηεται μζςω δειγμάτων ράβδου εγκοπϊν, που ζχουν υποςτεί 10 % ψυχρι παραμορφωςθ και ανοπτθςθ ςτουσ 250 C για μιςι ϊρα. Με ςκοπό να περιοριςτεί ι να αποφευχκεί θ διαδικαςία γιρανςθσ από ζνα χάλυβα με περιεκτικότθτεσ N χαμθλότερεσ από 0.01 % πραγματοποιείται κραμάτωςθ με άργιλο, νιόβιο ι βανάδιο, τα οποία είναι ιςχυρά νιτριδιογόνα ςτοιχεία και δζςμευουν το άηωτο για το ςχθματιςμό νιτριδίων. Στουσ ωςτενιτικοφσ χάλυβεσ θ διαλυτότθτα του αηϊτου είναι περίπου 2.8 % ςτουσ 650 C. Ενϊ είναι επίςθσ ςθμαντικά μεγαλφτερθ και ςτθν κερμοκραςία του περιβάλλοντοσ. Αυτό ςυνικωσ αυξάνει το όριο διαρροισ (μζχρι και 50 %) με περιεκτικότθτεσ αηϊτου %. Επιπλζον θ αντίςταςθ για ρθγμάτωςθ από εργοδιάβρωςθ (Stress Corrosion Cracking) αυξάνεται ςε ςυγκεκριμζνεσ περιεκτικότθτεσ αηϊτου. Οξυγόνο Το οξυγόνο μπορεί να διαλυκεί ςτο χάλυβα μζχρι περίπου %, ζχοντασ ζτςι μία επίδραςθ ευκραυςτότθτασ. Ρεριεκτικότθτεσ μεγαλφτερεσ από % εμφανίηονται ωσ οξείδια (εγκλείςματα). Κατά τθ διάρκεια τθσ χφτευςθσ, ο χάλυβασ βράηει με το ςχθματιςμό φουςκϊν από CO εξαιτίασ τθσ αντίδραςθσ του οξυγόνου με τον άνκρακα. Με ςκοπό να αποφευχκεί αυτι θ αντίδραςθ, αποξείδωτικά ςτοιχεία όπωσ Si, Al ι Mn προςτίκενται ςτο χάλυβα. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται θ παραγωγι, κακθςυχαςμζνων ι πλιρωσ κακθςυχαςμζνων χαλφβωνοι οποίοι και λόγω τθσ αφαίρεςθσ του οξυγόνου από το τιγμα ζχουν ςθμαντικά βελτιωμζνεσ μθχανικζσ ιδιότθτεσ. Τα ςτοιχεία που αναφζρονται μζχρι τϊρα λζγονται και ςυνοδευτικά ςτοιχεία γιατί βρίςκονται εγγενϊσ ςτον χάλυβα από τθν διαδικαςία παραγωγισ του. Τα ςτοιχεία που αναφζρονται ςτισ επόμενεσ παραγράφουσ ονομάηονται κραματικά γιατί προςτίκενται ςκοπίμωσ ςτουσ χάλυβεσ προκειμζνου να επιτευχκοφν ςυγκεκριμζνεσ ιδιότθτεσ. Τα κραματικά ςτοιχεία γενικά οδθγοφν ςε μεταβολζσ: των ςθμείων μεταςχθματιςμοφ ςτα διαγράμματα φάςθσ τθσ κρίςιμθσ ταχφτθτασ ψφξθσ των ορίων κορεςμοφ του ςιδιρου για τον άνκρακα τθσ ταχφτθτασ διάχυςθσ του άνκρακα ςτο ςίδθρο τθσ ικανότθτασ μαγνθτιςμοφ. Κάποια από τα κραματικά ςτοιχεία είναι ιςχυρά καρβιδιογόνα. Αυτά είναι το βανάδιο, το τιτάνιο, το νιόβιο, ταντάλιο, το χρϊμιο, το μολυβδαίνιο, το βολφράμιο και το μαγγάνιο. Μία ανοιχτι περιοχι γ-fe προκαλείται από το νικζλιο, το κοβάλτιο και το μαγγάνιο (ςχθματιςμόσ ωςτενίτθ) /25

61 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Μία κλειςτι περιοχι γ-fe προκαλείται από το χρϊμιο, τον άργιλο, το τιτάνιο, το πυρίτιο, το βανάδιο, το μόλυβδο, το φϊςφορο και το βολφράμιο (ςχθματιςμόσ φερρίτθ). Μια περιοριςμζνθ περιοχι γ-fe προκαλείται από το οξυγόνο, το κείο, το βόριο, το ηιρκόνιο, το νιόβιο και το ταντάλιο. Το ςχιμα 18 παρακάτω δείχνει παραδείγματα μεταβολισ τθσ ωςτενιτικισ περιοχισ ανάλογα με τα κραματικά ςτοιχεία. Σχιμα 18. Αλλαγι τθσ περιοχισ γ-fe με διάφορα κραματικά ςτοιχεία. Χρώμιο Ρρόκειται για ιςχυρά καρβιδιογόνο ςτοιχείο. Τα καρβίδια του χρωμίου αυξάνουν τθν ςκλθρότθτα και τισ αντιτριβικζσ ιδιότθτεσ του χάλυβα. Για τον λόγο αυτό το ςυναντάμε ςτουσ εργαλειοχάλυβεσ. Το χρϊμιο αυξάνει επίςθσ τθν εμβαπτότθτα κακϊσ και τθν αντοχι ςε οξείδωςθ και διάβρωςθ. Αποτελεί ζνα από τα ςθμαντικότερα κραματικά ςτοιχεία των ανοξείδωτων χαλφβων και των χαλφβων ερπυςμοφ /25

62 2.3 ΚΑΜΑΤΑ ΣΙΔΘΟΥ - ΑΝΘΑΚΑ Νικζλιο Ρροςδίδει ολκιμότθτα και αυξάνει τθν δυςκραυςτότθτα των χαλφβων ενϊ προκαλεί μείωςθ τθσ κερμοκραςίασ μετάβαςθσ από τθν όλκιμθ ςτθν ψακυρι ςυμπεριφορά κραφςθσ και γι αυτό τον λόγο χρθςιμοποιείται ευρζωσ ςτουσ κρυογενικοφσ χάλυβεσ. Σε περιεκτικότθτεσ πάνω από 7% ςτακεροποιεί τθν ωςτενιτικι δομι ςε κερμοκραςία δωματίου αποτελϊντασ ζνα ςθμαντικό κραματικό ςτοιχείο των ανοξείδωτων χαλφβων. Μολυβδαίνιο Ρρόκειται για ιςχυρά καρβιδιογόνο ςτοιχείο που αυξάνει ταυτόχρονα και τθν εμβαπτότθτα των χαλφβων. Τα καρβίδια του μολυβδαινίου κατά τθν επαναφορά μετά τθν βαφι και προκαλοφν δευτερογενι ςκλιρυνςθ των χαλφβων. Θ προςκικθ Μο ςτουσ ανοξείδωτουσ χάλυβεσ βελτιϊνει τθν αντοχι ςε διάβρωςθ ειδικά ςε καλάςςια περιβάλλοντα (π.χ. χάλυβασ 316 ζναντι του 304) W, V, Ti, Nb Ρρόκειται για καρβιδιογόνα ςτοιχεία, τα οποία ςυντελοφν ςτθν αφξθςθ τθσ ςκλθρότθτασ και τθσ αντοχισ με τον ςχθματιςμό καρβιδίων ενϊ ταυτόχρονα περιορίηουν τθν ανάπτυξθ των κόκκων ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ. Για τουσ λόγουσ αυτοφσ τα ςυναντάμε ςτουσ εργαλειοχάλυβεσ για τθν καταςκευι κοπτικϊν και διαμορφωτικϊν εργαλείων. Τα V, Nb, και Ti αποτελοφν κφρια μικροκραματικά ςτοιχεία των χαμθλά κραματωμζνων χαλφβων υψθλισ αντοχισ (HSLA steels) /25

63 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΥΑΛΤΒΩΝ 1. Υςηοζίδηπορ και Παπαγωγή Ακαηέπγαζηος Υάλςβα τθ φφςθ ο ςίδθροσ δεν υπάρχει ωσ κακαρό υλικό αλλά μόνο ωσ ζνωςθ. Αυτζσ οι ενϊςεισ είναι κυρίωσ οξείδια ςιδιρου μαηί με άλλα μεταλλικά ςυςτατικά που ονομάηονται γαιϊδεισ προςμίξεισ. Σο μείγμα των οξειδίων του ςιδιρου και των γαιωδϊν προςμίξεων ονομάηεται ςιδθρομετάλλευμα. Σο κφριο ζργο τθσ εξαγωγικισ μεταλλουργίασ είναι ο διαχωριςμόσ των οξειδίων του ςιδιρου από τισ γαιϊδεισ προςμίξεισ κακϊσ και θ αναγωγι τθσ ζνωςθσ του ςιδιρου-οξυγόνου. Με τθν προςκικθ άνκρακα κατά τθ διάρκεια διαφόρων διεργαςιϊν, ο ςίδθροσ μετατρζπεται ςε χάλυβα και με τθν προςκικθ διαφόρων κραματικϊν ςτοιχείων δθμιουργοφνται τα διάφορα είδθ χάλυβα που είναι γνωςτά ςιμερα. Η ςυνολικι διεργαςία τθσ καταςκευισ ενόσ χάλυβα πραγματοποιείται ςε αρκετά βιματα: ΕΠΕΞΕΡΓΑΙΑ ΜΕΣΑΛΛΕΤΜΑΣΟ PROCESSING ΑΝΑΓΩΓΗ ΙΔΗΡΟΜΕΣΑΛΛΕΤΜΑΣΟ ΚΑΘΑΡΙΜΟ ΥΤΣΕΤΗ 1.1 ΔΠΔΞΔΡΓΑΙΑ ΜΔΣΑΛΛΔΤΜΑΣΟ Σα κοιτάςματα ςιδθρομεταλλεφματοσ παγκοςμίωσ υπολογίηονται ζωσ τουσ 500 διςεκατομμφρια τόνουσ ποςό των μεταλλευμάτων που ζχουν εξορυχτεί τθν τελευταία 2.4-1/31

64 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ δεκαετία υπολογίηεται ςτουσ 700 εκατομμφρια τόνουσ. Αυτό ςθμαίνει ότι οι φυςικοί πόροι του ςιδθρομεταλλεφματοσ κα επαρκοφν για αρκετζσ μελλοντικζσ γενιζσ. το φλοιό τθσ Γθσ υπάρχουν αρκετζσ ενϊςεισ ςιδθρομεταλλεφματοσ. Σα κφρια είδθ είναι: Μαγνητίτησ Ο μαγνθτίτθσ είναι ζνα ςιδθρομετάλλευμα δφςκολο ςτθν αναγωγι με υψθλι ςυγκζντρωςθ ςιδιρου (50-70 %) ςε μορφι οξειδίου Fe 3 O 4. θμαντικά φυςικά κοιτάςματα του μαγνθτίτθ βρίςκονται ςτθ ουθδία, Νορβθγία και Ρωςία. Αιματίτησ Ο αιματίτθσ είναι ζνα εφκολα αναγϊγιμο ςιδθρομετάλλευμα, με μια υψθλι ςυγκζντρωςθ ςιδιρου (40-60 %) ςε μορφι οξειδίου Fe 2 O 3. Λειμωνίτησ Ο λειμωνίτθσ είναι ζνα εφκολα αναγϊγιμο ςιδθρομετάλλευμα αλλά ζχει μια πολφ μικρι ςυγκζντρωςθ ςιδιρου (20-45 %) ςε μορφι οξειδίου Fe 2 O 3 + κρυςταλλικό νερό. Σιδηρίτησ Ο ςιδθρίτθσ είναι ζνα εφκολα αναγϊγιμο ςιδθρομετάλλευμα με μια πολφ μικρι ςυγκζντρωςθ ςιδιρου, ςε μορφι οξειδίου Fe 2 O3. Η αρχικι κατεργαςία μεταλλεφματοσ (εμπλουτιςμόσ) γίνεται ςυνικωσ ςτισ χϊρεσ εξόρυξθσ πριν τθν εξαγωγι. Αυτό αυξάνει τθν ποιότθτα και μειϊνει το κόςτοσ τθσ μεταφοράσ, κακϊσ λιγότερα κατάλοιπα υλικοφ πετρωμάτων και υλικοφ μικρισ αξίασ κα πρζπει να μεταφερκοφν. τθν επεξεργαςία μεταλλεφματοσ, οι φυςικζσ ιδιότθτεσ του μεταλλεφματοσ, όπωσ θ ειδικι βαρφτθτα και θ ζνταςθ τθσ μαγνιτιςθσ χρθςιμοποιοφνται για διαχωριςμό. Σο πρϊτο βιμα ςτθν επεξεργαςία είναι θ κραφςθ και θ λείανςθ των μεταλλευμάτων. Χρθςιμοποιϊντασ τισ διαφορετικζσ ειδικζσ βαρφτθτεσ και φυγόκεντρεσ δυνάμεισ, ο αρχικόσ διαχωριςμόσ πραγματοποιείται ςε ςπειροειδείσ φυγόκεντρουσ ςυγκεντρωτζσ. τθν ςυνζχεια με τθν χριςθ ςτθλϊν επίπλευςθσ, οι διαφορετικζσ φυςικζσ ιδιότθτεσ του μεταλλεφματοσ και των γαιωδϊν προςμίξεων χρθςιμοποιοφνται για διαχωριςμό. Εμβαπτίηοντασ το κραυςμζνο υλικό ςε ζνα υγρό με υψθλι ειδικι βαρφτθτα και με ζγχυςθ αζρα, τα ορυκτά του ςιδιρου αρχίηουν να επιπλζουν και βγαίνουν ςτθν επιφάνεια. Η μαγνθτικι κατεργαςία χρθςιμοποιεί τισ δυνάμεισ ενόσ μαγνθτικοφ πεδίου για το διαχωριςμό των ορυκτϊν του ςιδιρου από πετρϊματα και άλλα ορυκτά. Ωσ αποτζλεςμα αυτϊν των μεκόδων, θ ςυγκζντρωςθ του ςιδθρομεταλλεφματοσ αυξάνεται από 30-35% ςε 60-65%. Ωςτόςο αυτά τα λεπτόκοκκα μεταλλεφματα δεν είναι κατάλλθλα για άμεςθ περαιτζρω επεξεργαςία /31

65 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ τισ μεταγενζςτερεσ διαδικαςίεσ αναγωγισ είναι απαραίτθτο το φφςθμα αερίων μζςα από τα ορυκτά. Για τθν αφξθςθ τθσ αποδοτικότθτασ αυτϊν των διεργαςιϊν, απαιτείται ζνα μεγαλφτερο μζγεκοσ κοκκομετρίασ του μεταλλεφματοσ, που μπορεί να επιτευχκεί μζςω πυροςυςςωμάτωςθσ (sintering) ι ςφαιροποίθςθσ (pelletizing). Κατά τθν διεργαςία τθσ πυροςυςςωμάτωςθσ, το λεπτόκοκκο μετάλλευμα πρϊτα υγραίνεται και αναμειγνφεται με ειδικά πρόςκετα και άνκρακα ςε μορφι κοκ και ακολοφκωσ κερμαίνεται ςε μια μονάδα πυροςυςςωμάτωςθσ. Οι υψθλζσ κερμοκραςίεσ που ςχθματίηονται, απομακρφνουν τον άνκρακα και τικουν τα ςωματίδια του μεταλλεφματοσ μεταξφ τουσ για το ςχθματιςμό μίασ πορϊδουσ μάηασ που ονομάηεται «κλίνκερ». Αυτι θ ςυςςωματωμζνθ μάηα ζπειτα οδθγείται ςε κραυςτιρεσ προκειμζνου να πάρει το απαιτοφμενο μζγεκοσ ςωματιδίων. Για τθ ςφαιροποίθςθ το ςιδθρομετάλλευμα πρϊτα υγραίνεται με νερό και αναμειγνφεται με ειδικά πρόςκετα (αςβεςτόλικο, δολομίτθ και μπετονίτθ ςαν ςυνδετικό μζςο). Αυτό το μείγμα καλουπϊνεται ςε ςφαίρεσ με διάμετρο mm και ψινεται ςε κερμοκραςία άνω των 1000 C. Μετά από αυτι τθν κατεργαςία το υλικό χρθςιμοποιείται για τθν καταςκευι χάλυβα ςτθν υψικάμινο. 1.2 ΑΝΑΓΩΓΗ ΙΓΗΡΟΜΔΣΑΛΛΔΤΜΑΣΟ Η μετατροπι των οξειδίων του ςιδιρου ςε μζταλλο είναι μία είναι μια χθμικι αντίδραςθ αναγωγισ. Για να πραγματοποιθκεί αυτό, μια πθγι κερμότθτασ και ζνα ιςχυρό αναγωγικό μζςο είναι απαραίτθτα. Τπάρχουν αρκετά είδθ καμίνων για τθν πραγματοποίθςθ αυτισ τθσ αναγωγικισ αντίδραςθσ: κάμινοι απευκείασ αναγωγισ (direct reduction furnaces) κάμινοι αναγωγισ τιξθσ (melting reduction furnaces) υψικάμινοι (blast furnaces) τθν παροφςα ενότθτα κα αναφερκοφμε κυρίωσ ςτισ διεργαςίεσ που ςυντελοφνται ςε μία υψικάμινο. Ζνα τυπικό διάγραμμα τθσ λειτουργίασ μίασ υψικαμίνου φαίνεται ςτο ςχιμα 2. Σο ςιδθρομετάλλευμα ανάγεται ςτθν υψικάμινο με τθν χριςθ άνκρακα (ςτθν πραγματικότθτα CO 2 ) ςτον ρόλο του χθμικοφ αναγωγικοφ ςτοιχείου. Θεωρθτικά αυτι θ αντίδραςθ μπορεί να περιγραφεί ωσ εξισ: 2Fe 2 O 3 + 3C 4Fe + 3CO (1) τθν πράξθ ο αρικμόσ των αντιδράςεων που ςυμβαίνουν ςε μία υψικάμινο είναι πιο πολφπλοκοσ όπωσ φαίνεται και ςτθν ανάλυςθ που δίνεται παρακάτω /31

66 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Σο κωκ ο αςβεςτόλικοσ και το ςιδθρομετάλλευμα τροφοδοτοφνται ςυνεχόμενα ςτο πάνω μζροσ τθσ καμίνου. Κατά τθ διάρκεια τθσ αργισ καταβφκιςθσ ςτθν πραγματικι περιοχι αντίδραςθσ, το μείγμα κερμαίνεται ςταδιακά. Σχήμα 1. Φωτογραφία μίασ ςφγχρονθσ μονάδασ υψικαμίνου. Σαυτόχρονα ο κερμόσ αζρασ ( C) εμφυςάται ςτο κάτω μζροσ τθσ καμίνου. Αυτόσ ο κερμόσ αζρασ (+ κάποιου είδουσ καφςιμο) ανεβαίνει προσ τθν κορυφι και υφίςταται αρκετζσ χθμικζσ αντιδράςεισ όπωσ φαίνεται παρακάτω: C 3 Fe 2 O 3 + CO 2 Fe 3 O 4 + CO 2 (2) 2CO CO 2 + C (3) C Fe 3 O 4 + CO 3 FeO + CO 2 (4) FeO + CO Fe+ CO 2 (5) C FeO + C Fe+ CO 2 (6) C + CO 2 2CO (7) C 2C + O 2 2 CO (8) 2.4-4/31

67 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ C + O 2 2 CO 2 (9) Με τθν ανάφλεξθ λόγω τθσ επαφισ με τον κερμό αζρα ο άνκρακασ αεριοποιείται ςε CO 2 και CO (αντιδράςεισ 8, 9). Σα δθμιουργοφμενα αζρια ανεβαίνουν πιο ψθλά ςτθν υψικάμινο και το CO απομακρφνει το οξυγόνο από τα οξείδια του ςιδιρου και μετατρζπεται ςε CO 2 (αντίδραςθ 6), ενϊ παράλλθλα το CO 2 επαναμετατρζπεται ςε CO με τθν αντίδραςθ 2.4-5/31

68 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Boudouard (7). Σχήμα 2. Διάγραμμα Λειτουργίασ Τψικαμίνου. Η άμεςθ αναγωγι του FeO από το CO (αντίδραςθ 6) ςυμβαίνει μόνο όταν το FeO είναι ςε υγρι μορφι (1371 C). ε περιοχζσ τθσ υψικαμίνου με μικρότερθ κερμοκραςία το CO αντιδρά με άλλεσ μορφζσ οξειδίων του ςιδιρου (αντιδράςεισ 2, 4, 5). ε χαμθλζσ 2.4-6/31

69 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ κερμοκραςίεσ θ αντίδραςθ Boudouard προχωράει προσ τθν αντίκετθ κατεφκυνςθ δθμιουργϊντασ πάλι άνκρακα (αντίδραςθ 3). Η προςκικθ ανκρακικοφ αςβεςτίου βοθκάει και ςτθν απομάκρυνςθ ανεπικφμθτων ςτοιχείων από το τελικό προϊόν τθσ υψικαμίνου κυρίωσ πυρίτιο. τα μεςαία ςτρϊματα τθσ υψικαμίνου θ αποςφνκεςθ του ανκρακικοφ αςβεςτίου ςυμβαίνει ςφμφωνα με τθν παρακάτω αντίδραςθ: CaCO 3 CaO + CO 2 (10) Σο οξείδιο του αςβεςτίου που ςχθματίηεται αντιδρά με διάφορεσ όξινεσ ακακαρςίεσ που περιζχονται ςτον ςίδθρο (κυρίωσ πυρίτιο) ςχθματίηοντασ μία ςκουριά που περιζχει κυρίωσ πυριτικό αςβζςτιο ςφμφωνα με τθν παρακάτω αντίδραςθ: SiO 2 + CaO CaSiO 3 (11) ε κανονικά χρονικά διαςτιματα των περίπου 2 ωρϊν το προϊόν τθσ υψικαμίνου εξάγεται. Ο ρευςτόσ ςίδθροσ πρϊτα και μετά θ ρευςτι ςκουριά ρζουν ζξω από τθν οπι μιτρασ. Κακϊσ θ ςκουριά ζχει μικρότερθ πυκνότθτα από το ςίδθρο, επιπλζει ςτο πάνω μζροσ του ςιδιρου. Ο ρευςτόσ ςίδθροσ ρζει ςε κάδουσ απόχυςθσ, γνωςτοφσ και ωσ torpedo-cars, για να μεταφερκεί ςε ςτάδια περαιτζρω κατεργαςίασ ι αδειάηει ςε μεταλλικά δοχεία και μεταφζρεται ςτο μείκτθ. Ο μείκτθσ είναι ζνα γραμμικό, οριηόντιο δοχείο από πυρίμαχο πλίνκο, με κζντρο βάρουσ ςτο διαμικθ άξονα. Οι τρεισ βαςικοί ςτόχοι του μείκτθ είναι: δοχείο αποκικευςθσ για μονάδα καταςκευισ χάλυβα ανάμειξθ του ρευςτοφ χυτευμζνου υλικοφ για να επζλκει ομογενοποίθςθ μείωςθ του κείου (ςυνεχισ μετατροπι των MnS+FeS ςε MnS+Fe, MnS) τα οποία διαχωρίηονται ςαν ςκουριά. Για να επιτευχκεί θ μείωςθ του κείου, προςτίκεται ςόδα, ανκρακικό αςβζςτιο ι μαγγάνιο. Σο υλικό ςφνδεςθσ επιπλζει και μπορεί να αναλυκεί ςαν ςκουριά ςτο πάνω μζροσ. Σο ακατζργαςτο προϊόν τθσ υψικαμίνου (χυτοςίδθροσ) περιζχει μεγάλα ποςοςτά άνκρακα (3 5%) και φωςφόρου (0.1 2%) και ωσ εκ τοφτου δεν είναι κατάλλθλο για πολλζσ χριςεισ. Αυτό μασ φζρνει ςτο επόμενο ςτάδιο τθσ παραγωγισ του χάλυβα που είναι αυτό του κακαριςμοφ (refining). 1.3 ΚΑΘΑΡΙΜΟ (REFINING) Η περαιτζρω κατεργαςία του χυτοςιδιρου (pig iron) που προκφπτει ςαν τελικό προϊόν τθσ υψικαμίνου, ςε χάλυβα ονομάηεται κακαριςμόσ. Μζςω αυτισ τθσ μεκόδου, τόςο ο 2.4-7/31

70 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ άνκρακασ όςο και άλλα μθ φερριτικά ςτοιχεία μειϊνονται ςτο ποςοςτό που χρειάηεται για τθν παραγωγι του εκάςτοτε τφπου χάλυβα. Όλεσ οι μζκοδοι κακαριςμοφ που εφαρμόηονται βαςίηονται ςτθν εμφφςθςθ οξυγόνου υψθλισ κακαρότθτασ το οποίο οξειδϊνει τα μθ επικυμθτά ςτοιχεία. Άλλα πρόςκετα όπωσ δολομίτθσ και αςβεςτόλικοσ προςτίκενται επίςθσ και ο ρόλοσ που παίηουν είναι διπλόσ: Αρχικά αντιδροφν με το SiO 2 το οποίο με τθν οξείδωςθ του διαχωρίηεται από το μζταλλο ςχθματίηοντασ μία βαςικι ςκουριά θ οποία παραμζνει ρευςτι ςτισ ςυνκικεσ παραςκευισ του χάλυβα. Παράλλθλα αυτι θ ςκουριά απορροφάει και παρακρατεί ακακαρςίεσ όπωσ ο φϊςφοροσ και το κείο από το λιωμζνο μζταλλο. Οι πιο γνωςτζσ μζκοδοι κακαριςμοφ είναι: Μζκοδοσ Thomas (πλζον δε χρθςιμοποιείται) Μζκοδοσ Siemens Martin (δεν επιτρζπεται πλζον ςτθν Ευρϊπθ) Μζκοδοσ εμφφςθςθσ οξυγόνου ςε βαςικό κλίβανο (Basic Oxygen Furnace) Η μζκοδοσ Thomas είναι θ εξζλιξθ τθσ μεκόδου κακαριςμοφ Bessemer θ οποία είχε δθμιουργιςει επανάςταςθ ςτθν χαλυβουργία όταν ανακαλφφκθκε το Η μζκοδοσ Bessemerςτθριηόταν ςτθν εμφφςθςθ ςυμπιεςμζνου αζρα, μζςα ςτο λουτρό του λιωμζνου μετάλλου. Σχήμα 3. Κλίβανοσ Bessemer. Σο οξυγόνο του ςυμπιεςμζνου αζρα, οξείδωνε και αφαιροφςε τον άνκρακα που περιείχε ςε μεγάλεσ ποςότθτεσ το τελικό προϊόν τθσ υψικαμίνου, ενϊ παράλλθλα θ εξϊκερμθ φφςθ αυτισ τθσ αντίδραςθσ, διατθροφςε το μζταλλο λιωμζνο κατά τθν διάρκεια του κακαριςμοφ /31

71 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Παρά τθν επανάςταςθ που δθμιοφργθςε, θ μζκοδοσ Bessemer είχε και κάποια ςθμαντικά ελαττϊματα, όπωσ το ότι δεν μποροφςε να αφαιρζςει το κείο και τον φϊςφορο, ενϊ παράλλθλα ο παραγόμενοσ χάλυβασ περιείχε μεγάλο ποςοςτό αηϊτου (λόγω τθσ παροχισ αζρα) που τον ζκανε εφκραυςτο. Η μζκοδοσ Thomas άρχιςε να χρθςιμοποιείται το 1878 και αντικακιςτϊντασ τθν όξινθ πυρίμαχθ επζνδυςθ του κλιβάνου Bessemer με μία βαςικι μποροφςε πλζον να αφαιρζςει από τον παραγόμενο χάλυβα το κείο και τον φϊςφορο μζςω ςυγκεκριμζνων αντιδράςεων αυτϊν των ςτοιχείων με τα βαςικά ςτοιχεία (Ca και Mg) τθσ πυρίμαχθσ επζνδυςθσ. Η μζκοδοσ Siemens Martin άρχιςε να χρθςιμοποιείται γφρω ςτο 1865 ςε μία προςπάκεια των Γερμανϊν (κυρίωσ) χαλυβουργϊν να ξεπεράςουν τισ πατζντεσ που είχε κατοχυρϊςει ο Henry Bessemer. φμφωνα με αυτι τθν μζκοδο, ο κακαριςμόσ του λιωμζνου μετάλλου πραγματοποιείται ςε μια εςτία με τθ χριςθ εξωτερικισ κζρμανςθσ. Σο βάκοσ του λουτροφ είναι περίπου 0.5 m και ζχει ζνα εμβαδό επιφάνειασ ζωσ 5 x 15 m. Αζρασ και καφςιμο αζριο κερμαίνονται ξεχωριςτά ( C) πριν από τθν καφςθ μζςα ςτθν εςτία. Σα αζρια εξαγωγισ τθσ μεκόδου καταςκευισ μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν για προκζρμανςθ. Λόγω τθσ βίαιθσ αντίδραςθσ τθσ καφςθσ του άνκρακα και του αυξανόμενου CO δθμιουργείται μια ζντονθ ανάδευςθ του λουτροφ που αναμειγνφει το λουτρό με τζτοιο τρόπο ϊςτε να μπορεί να πραγματοποιθκεί μια ςυνεχι αντίδραςθ μεταξφ του μετάλλου και τθσ ςκουριάσ. Με αυτι τθ μζκοδο είναι εφικτζσ υψθλζσ κερμοκραςίεσ (περ C) όπου είναι δυνατι θ προςκικθ χάλυβα από scrap. Άλλο αποτζλεςμα τθσ μεκόδου υψθλισ κερμοκραςίασ είναι θ καφςθ του φϊςφορου και ςυνεπϊσ θ μείωςθ των περιεκτικοτιτων αυτοφ του ςτοιχείου μζςα ςτο χάλυβα (0.03 %). φμφωνα με άλλεσ μεκόδουσ κακαριςμοφ, θ μζκοδοσ Siemens Martin απαιτεί μεγαλφτερο χρόνο για κατεργαςία, κάτι που τθν κακιςτά μθ οικονομικι για τθν παραγωγι ςτθ δυτικι Ευρϊπθ. Σο EN ρθτά αποκλείει τθν καταςκευι του δομικοφ χάλυβα μζςω τθσ μεκόδου Siemens Martin. Η μζκοδοσ εμφφςθςθσ οξυγόνου ςε βαςικό κλίβανο (Basic Oxygen Furnace Refining) είναι θ μζκοδοσ που ζχει επικρατιςει ςιμερα ςε διάφορεσ παραλλαγζσ ςτθν ςφγχρονθ χαλυβουργία. Η μζκοδοσ αυτι χρθςιμοποιεί τισ ίδιεσ βαςικζσ αρχζσ με τον κλίβανο Bessemer αλλά ζχει αντικαταςτιςει τθν παροχι αζρα με αυτι βιομθχανικοφ οξυγόνου υψθλισ κακαρότθτασ. Αυτι θ αλλαγι ζχει ςαν αποτζλεςμα, τθν ακόμα μεγαλφτερθ ενεργειακι παροχι τθσ μεκόδου κατά τθν οξείδωςθ των ανεπικφμθτων ςτοιχείων, πράγμα που ςθμαίνει ότι γίνεται δυνατι και θ προςκικθ ςιδιρου scrap εκτόσ του χυτοςιδιρου τθσ υψικαμίνου. Ζνα ςχεδιάγραμμα λειτουργίασ τθσ μεκόδου φαίνεται ςτο ςχιμα /31

72 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Σχήμα 4. Σομι ενόσ κλιβάνου BOF κατά τθν διάρκεια τθσ εμφφςθςθσ. Από ζνα ακροφφςιο που ςυνικωσ βρίςκεται ςτθν κορυφι του κλιβάνου εμφυςάται βιομθχανικό οξυγόνο κακαρότθτασ 99.5% με υπερθχθτικι ταχφτθτα μζςα ςτο τιγμα. Με αυτό τον τρόπο οξειδϊνονται και απομακρφνονται με τθν μορφι ςκουριάσ μία ςειρά ανεπικφμθτων ςτοιχείων μζςα από το λιωμζνο μζταλλο. Όλεσ αυτζσ οι αντιδράςεισ οξείδωςθσ είναι εξϊκερμεσ όπωσ φαίνεται και ςτον παρακάτω πίνακα παρζχοντασ ζτςι τθν κερμότθτα που απαιτείται ϊςτε το τιγμα να παραμζνει ςε υγρι μορφι αλλά και να λιϊνει το scrap που ζχει προςτεκεί. Λόγω τθσ κερμικισ απόδοςθσ αυτισ τθσ μεκόδου, περίπου το 25% του φορτίου μίασ εμφφςθςθσ μπορεί να αποτελείται από scrap ανεβάηοντασ κατακόρυφα τθν οικονομικι απόδοςθ τθσ μεκόδου. Reaction Heat Produced (Btu x1000) [C]+[O] CO 366 [Si]+2[O] SiO [Mn] +[O] MnO 60 2[P] + 5[O] P 2 O 5 10 Fe + [O] FeO 110 CO + [O] CO Πινάκασ 1. Αντιδράςεισ οξείδωςθσ των ανεπικφμθτων ςτοιχείων ςτον βαςικό κλίβανο εμφφςθςθσ οξυγόνου /31

73 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Σα βαςικά πυρίμαχα που χρθςιμοποιοφνται ςαν επζνδυςθ (ςυνικωσ περιζχουν MgO) αντιδροφν ςυνζχεια με το τιγμα και τθν ςκουριά και μζςω τθσ φκοράσ τουσ βοθκοφν ςτθν απομάκρυνςθ του κείου και του φωςφόρου μζςω των παρακάτω αντιδράςεων: MgO + FeS CaS + FeO 2P + 5O + 3MgO Ca 3 (PO 4 ) ΚΛΙΒΑΝΟ ΗΛΔΚΣΡΙΚΟΤ ΣΟΞΟΤ (ELECTRIC ARC FURNACE) ιμερα λόγω τθσ μεγάλθσ ποςότθτασ ςιδιρου scrap που υπάρχει, πολλζσ φορζσ ο κακαριςμόσ πραγματοποιείται ςε κλιβάνουσ θλεκτρικοφ τόξου ςτουσ οποίουσ υπάρχει θ δυνατότθτα προςκικθσ οξυγόνου και κραμματικϊν προςμίξεων μετά τθν τιξθ 100% ςιδιρου scrapμε τθν κερμότθτα να παρζχεται από το θλεκτρικό τόξο που δθμιουργείται μεταξφ θλεκτροδίων άνκρακα και του φορτίου τθσ καμίνου (ςχιμα 5). Σχήμα 5. Σομι ενόσ κλιβάνου θλεκτρικοφ τόξου κατά τθν διάρκεια ςτθσ λειτουργίασ. Όπωσ αναφζρεται παραπάνω το υλικό τροφοδότθςθσ τθσ καμίνου είναι ςυνικωσ scrap αλλά μπορεί να χρθςιμοποιθκεί και οποιοδιποτε άλλο προϊόν είτε από υψικάμινο είτε από κλίβανο ευκείασ αναγωγισ. Άλλα κραμματικά ςτοιχεία είναι δυνατόν να προςτεκοφν επίςθσ ςε διάφορα ςτάδια τθσ διαδικαςίασ. Μετά το κλείςιμο του φοφρνου ξεκινά θ διεργαςία τθσ τιξθσ με τθ βοικεια τριϊν θλεκτροδίων γραφίτθ, παράγοντασ κερμοκραςίεσ περίπου 3500 C. ε αυτζσ τισ κερμοκραςίεσ επιτυγχάνεται θ διάλυςθ και των κραματικϊν ςτοιχείων, που είναι δφςκολα για τιξθ /31

74 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Εξαιτίασ του γεγονότοσ ότι ςε γενικζσ γραμμζσ δεν υπάρχει εμφφςθςθ αζριου, θ κερμότθτα τθσ μεκόδου διατθρείται. Από τθν άλλθ πλευρά είναι δυνατό να γίνει εμφφςθςθ οξυγόνου ςτον φοφρνο, αν απαιτείται επιτάχυνςθ τθσ μεκόδου. ε άλλθ περίπτωςθ, το οξυγόνο για εξευγενιςμό αφαιρείται από το ςκραπ και από άλλα πρόςκετα μζςα. Όπωσ και ςτον κλίβανο BOF ςτθν κάμινο θλεκτρικοφ τόξου δθμιουργείται μια ςκουριά αντίδραςθσ που περιλαμβάνει όλα τα μθ επικυμθτά ςτοιχεία. Η χωρθτικότθτα τθσ καμίνου θλεκτρικοφ τόξου μπορεί να φτάςει τουσ 300 τόνουσ ενϊ ο χρόνοσ τθσ μεκόδου είναι περίπου λεπτά με πικανι επιμικυνςθ για ειδικι κραμάτωςθ. ιμερα οι κλίβανοι θλεκτρικοφ τόξου αντιςτοιχοφν περίπου ςτο 33% τθσ παγκόςμιασ παραγωγισ χάλυβα. Σο κφριο πλεονζκτθμα τουσ είναι ότι επιτρζπει τθν παραγωγι χάλυβα από 100% scrap το οποίο ενεργειακά είναι πολφ πιο αποτελεςματικό ςε ςχζςθ με τουσ χάλυβεσ που παράγονται από ςιδθρομετάλλευμα. Επίςθσ οι μονάδεσ παραγωγισ χάλυβα που ςτθρίηονται ςε κλίβανουσ θλεκτρικοφ τόξου ζχουν πολφ μεγαλφτερθ ευελιξία και μποροφν να λειτουργοφν κατά βοφλθςθ ανάλογα με τισ ςυνκικεσ τθσ αγοράσ, ςε αντίκεςθ με μία υψικάμινο θ οποία πρζπει να ζχει ςυνεχόμενθ ροι πρϊτων υλϊν και πρζπει να δουλεφει ςυνεχόμενα για πολφ μεγάλα χρονικά διαςτιματα. 1.5 ΓΔΤΣΔΡΔΤΩΝ ΚΑΘΑΡΙΜΟ (SECONDARY REFINING) αν δευτερογενισ κακαριςμόσ αναφζρεται κάκε διεργαςία θ οποία πραγματοποιείται μετά τθν αρχικό κακαριςμό του χάλυβα ςε διαφορετικό ςτακμό επεξεργαςίασ πριν τθν χφτευςθ. Ο δευτερεφων κακαριςμόσ είναι απαραίτθτοσ ςε εξειδικευμζνουσ χάλυβεσ υψθλισ ποιότθτασ και εξυπθρετεί διάφορουσ ςκοποφσ όπωσ τθν ομογενοποίθςθ του τιγματοσ, τισ τελικζσ προςκικεσ κραμματικϊν ςτοιχείων, και τον ζλεγχο ςτοιχείων όπωσ το κείο, το οξυγόνο κτλ. Για χάλυβεσ που ζχουν υψθλζσ απαιτιςεισ κακαρότθτασ θ μείωςθ τθσ περιεκτικότθτασ ςε κείο επιτυγχάνεται με τθν προςκικθ CaO, καρβιδίου του αςβεςτίου, και μαγνθςίου. Η μείωςθ αυτι του κείου επιτυγχάνεται με τισ παρακάτω αντιδράςεισ: CaO (lime) + [S] CaS + [O] CaC2(calcium carbide) + [S] CaS + 2[C] [Mg]+ [S] MgS Η αφαίρεςθ αερίων από το τιγμα όπωσ το άηωτο και το υδρογόνο γίνεται ςε κάτω από ςυνκικεσ μειωμζνθσ πίεςθσ ςε δοχεία κενοφ. Η αποξείδωςθ πραγματοποιείται με τθν προςκικθ πυριτίου και αλουμινίου ςτο τθγμζνο μζταλλο, ϊςτε να ςχθματιςτοφν μθ μεταλλικά εγκλείςματα SiO2 και Al2O3 τα οποία ακολοφκωσ μετά από ανάδευςθ του τιγματοσ απομακρφνονται μζςω τθσ ςχθματιηόμενθσ ςκουριάσ. Οι κλίβανοι ςτουσ οποίουσ ςυνικωσ πραγματοποιείται ο δευτερεφων κακαριςμόσ είναι οι RH (Ruhrstahl-Hausen) vacuum degasser and LF (ladle furnace). Ο κλίβανοσ RH χρθςιμοποιεί, δφο ςωλινεσ βυκιςμζνουσ μζςα ςτο λιωμζνο μζταλλο ο πρϊτοσ εκ των οποίων με τθν τροφοδοςία ενόσ αδρανοφσ αερίου δθμιουργεί ζνα φαινόμενο άντλθςθσ το /31

75 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ οποίο μεταφζρει το τιγμα μζςα ςε ζνα δοχείο κενοφ. Μετά τθν ζκκεςθ ςτο κενό και τον κακαριςμό του από τα αζρια, το τιγμα μεταφζρεται πίςω ςτον κλίβανο RHμζςω του δεφτερου ςωλινα όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 6. Η μζκοδοσ αυτι είναι κατάλλθλθ για τθν επεξεργαςία μεγάλων ποςοτιτων τιγματοσ ςε ςχετικά μικρό χρονικό διάςτθμα ενϊ παράλλθλα ςχεδιαςτικζσ παραλλαγζσ του εξοπλιςμοφ ζχουν επεκτείνει τθν χριςθ του και ςε άλλεσ λειτουργίεσ κακαριςμοφ (απανκράκωςθ, αποκείωςθ κτλ). Από τθν άλλθ πλευρά οι κλίβανοι LF (ςχιμα 7), ζχουν τθν δυνατότθτα επιπλζον κζρμανςθσ του τιγματοσ, επιτρζπουν τθν προςκικθ μεγάλων ποςοτιτων κραματικϊν ςτοιχείων και επιτυγχάνουν πολφ καλισ ποιότθτασ αποκείωςθ με τθν προςκικθ των κατάλλθλων ςυςτατικϊν ςε υψθλι κερμοκραςία. Ο εξοπλιςμόσ που χρθςιμοποιείται ςυνικωσ για τον δευτερεφων κακαριςμό των ανοξείδωτων χαλφβων, ςυνικωσ περιλαμβάνει τον κλίβανο VOD (Vacuum Oxygen decarburization) όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 8. Σο πρόβλθμα κατά τθν παραςκευι των ανοξείδωτων χαλφβων είναι ότι περιζχουν μεγάλο ποςοςτό χρωμίου το οποίο αντιδρά πολφ εφκολα με το οξυγόνο για τον ςχθματιςμό οξειδίων. Αυτό ςθμαίνει ότι κατά τθν διάρκεια του αρχικοφ κακαριςμοφ δεν μπορεί να επιτευχκεί ικανοποιθτικι απανκράκωςθ του ανοξείδωτου χάλυβα χωρίσ να χακοφν μεγάλεσ ποςότθτεσ χρωμίου. Σο πρόβλθμα αυτό λφνεται με τθν μείωςθ τθσ μερικισ πίεςθσ του COςτθν ατμόςφαιρα του κλιβάνου ζτςι ϊςτε να επιτευχκεί προνομιακι οξείδωςθ του άνκρακα παρουςία χρωμίου. Σχήμα 6. Σομι ενόσ κλιβάνου RH κατά τθν διάρκεια ςτθσ λειτουργίασ /31

76 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Σχήμα 7. Σομι ενόσ κλιβάνου LF κατά τθν διάρκεια ςτθσ λειτουργίασ. Σχήμα 8. Σομι ενόσ κλιβάνου VOD κατά τθν διάρκεια ςτθσ λειτουργίασ /31

77 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ τθν πράξθ θ μείωςθ αυτι τθσ μερικισ πίεςθσ του CO επιτυγχάνεται με τθν δθμιουργία κενοφ ςτον κλίβανο VODκαι εναλλακτικά με τθν ανάμιξθ με αργό ςτον κλίβανο AOD. 1.6 ΥΤΣΔΤΗ (CASTING) Μετά τθν ολοκλιρωςθ τθσ τιξθσ και του κακαριςμοφ του χάλυβα, αυτόσ πρζπει να μετατραπεί ςε ςτερεά μορφι. Αυτό επιτυγχάνεται με τθν χφτευςθ θ οποία γίνεται με τουσ δφο τρόπουσ: Χφτευςθ με τθν δθμιουργία πλινκϊματοσ Κατά τθν διάρκεια τθσ χφτευςθσ με αυτι τθν μζκοδο το λιωμζνο μζταλλο μεταφζρεται από ζνα ενδιάμεςο δοχείο ςυλλογισ ςε ζνα επαναχρθςιμοποιοφμενο μεταλλικό καλοφπι το οποίο δίνει το ςχιμα του ςτο ςτερεοποιθμζνο μζταλλο (ςχιμα 9). Μζχρι τθν δεκαετία του 1970 θ μζκοδοσ αυτι ιταν θ κφρια μζκοδοσ χφτευςθσ για τθν παραγωγι χάλυβα και καλφπτοντασ περίπου το 97% τθσ παγκόςμιασ παραγωγισ. Από τότε και με τθν εμφάνιςθ τθσ μεκόδου ςυνεχοφσ χφτευςθσ το ποςοςτό αυτό ζχει πζςει παγκοςμίωσ περίπου ςτο 7%. Σχήμα 9.χθματικι αναπαράςταςθ τθσ χφτευςθσ με τθν δθμιουργία πλινκϊματοσ. Σο κφριο χαρακτθριςτικό αυτισ τθσ μεκόδου είναι το γεγονόσ ότι λόγω των διαφορετικϊν ςυνκθκϊν ςτερεοποίθςθσ για τα διάφορα μζρθ του καλουπιοφ, το παραγόμενο πλίνκωμα δεν ζχει ομοιόμορφθ κρυςταλλογραφικι δομι. Αυτό μπορεί να οδθγιςει ςε φαινόμενα διαφοριςμοφ (segregation) τα οποία πολλζσ φορζσ είναι και θ πθγι των περιςςότερων /31

78 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ ελαττωμάτων που εμφανίηονται κατά τθν χφτευςθ. Οι διαφορετικζσ κρυςταλλικζσ ηϊνεσ ςε ζνα πλίνκωμα φαίνονται ςτο ςχιμα 10. Περιοχι υςτολισ Λεπτόκοκκθ Περιοχι Κεντρικι Περιοχι Κωνικι Κάτω Περιοχι Δενδριτικι Περιοχι Σχήμα 10. Συπικι κρυςταλλικι δομι χυτοφ πλινκϊματοσ. Λεπτόκοκκη περιοχή. Δθμιουργείται εκεί που το μζταλλο ςτερεοποιείται ςε επαφι με τα τοιχϊματα του πλινκϊματοσ λόγω πολφ γριγορισ ψφξθσ. Η χθμικι ςφςταςθ ςε αυτό το ςθμείο είναι παρόμοια με αυτι του λιωμζνου μετάλλου. Δενδριτική περιοχή. Οι κόκκοι μεγαλϊνουν ςτθν αντίκετθ κατεφκυνςθ από τθν ροι τθσ κερμότθτασ. Η περιοχι τθσ μετάβαςθσ μεταξφ τθσ δενδριτικισ ανάπτυξθσ των κόκκων και τθσ κεντρικισ περιοχισ με τουσ μεγάλουσ ςτρογγυλοφσ κόκκουσ περιζχει κανάλια εμπλουτιςμζνα ςε ακακαρςίεσ όπωσ είναι το κείο και ο φϊςφοροσ. Κεντρική περιοχή. Αυτι θ περιοχι χαρακτθρίηεται από μεγάλουσ ςτρογγυλοφσ κόκκουσ κακϊσ είναι θ τελευταία που ςτερεοποιείται. Η περιοχι αυτι είναι εμπλουτιςμζνθ ςε ακακαρςίεσ οι οποίεσ ζχουν μεταφερκεί μζχρι εκεί ακολουκϊντασ το μζτωπο του ςτερεοποιθμζνου μετάλλου /31

79 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Κωνική κάτω περιοχή. Είναι ζνα μείγμα λεπτόκοκκθσ δομισ και κρυςτάλλων που ζχουν μεταφερκεί από άλλεσ περιοχζσ του πλινκϊματοσ. Η περιεκτικότθτα ςε φϊςφορο και κείο ςε αυτι τθν περιοχι είναι μικρότερθ από ότι θ χθμικι ςφςταςθ του τιγματοσ. Περιοχή ςυςτολήσ. Αυτι θ περιοχι βρίςκεται ςτθν κορυφι του πλινκϊματοσ και ςυνικωσ απορρίπτεται πριν τθν περαιτζρω επεξεργαςία. υνοδεφεται από πορϊδεσ. υνεχισ Χφτευςθ Κατά τθ διάρκεια τθσ ςυνεχοφσ χφτευςθσ, ο ρευςτόσ χάλυβασ περνά από τον κλίβανο δευτερεφουςασ επεξεργαςίασ μζςω ενόσ ενδιάμεςου δοχείου με προςαρμόςιμθ ςυςκευι αποφόρτιςθσ ςε ζνα υδρόψυκτο, ταλαντευόμενο κατακόρυφα χάλκινο καλοφπι, που ορίηει το ςχιμα του χάλυβα. Ζνα ςχθματικό διάγραμμα τθσ μεκόδου φαίνεται ςτο ςχιμα 11. Σχήμα 11. χθματικι αναπαράςταςθ τθσ ςυνεχοφσ χφτευςθσ. Κατά τθ ςτερεοποίθςθ, θ πυρακτωμζνθ ράβδοσ κα πρζπει να απομακρυνκεί με ράουλα πρόωςθσ και προςεκτικά να ψυχκεί με ψεκαηόμενο νερό. Ζωσ ότου θ ράβδοσ ζχει ςτερεοποιθκεί πλιρωσ, κα πρζπει να υποςτθριχκεί με ράουλα ςε όλεσ τισ πλευρζσ. Μετά τθν πλιρθ ςτερεοποίθςθ θ ράβδοσ μπορεί να διαχωριςτεί από τςιμπίδεσ κινθτισ κοπισ ι διατμιςεισ. Μετά τθν ευκυγράμμιςθ θ ακίνθτθ πυρακτωμζνθ ράβδοσ ςυχνά ςχθματίηεται απευκείασ μζςω ιςοπζδωςθσ ι άλλων μθχανθμάτων ειδικισ ςχθματοποίςθσ. Περαιτζρω εξελίξεισ τθσ μεκόδου ςτοχεφουν ςτθ ςυνεχι χφτευςθ επίπεδων προϊόντων όπωσ λεπτζσ πλάκεσ ι λεπτζσ ταινίεσ. Αυτι θ εξζλιξθ που ςχετίηεται με τισ διαςτάςεισ των /31

80 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ προϊόντων ςυνεχοφσ χφτευςθσ μπορεί καλφτερα να ςυνοψιςτεί με τθν "χφτευςθ ςε θμιτελικι μορφι" ( near-net-shapecasting ). Σα ελαττϊματα που δθμιουργοφνται κατά τθν ςυνεχι χφτευςθ ζχουν κυρίωσ να κάνουν με ρωγματϊςεισ που μπορεί να δθμιουργθκοφν πριν ολοκλθρωκεί θ ςτερεοποίθςθ όλθσ τθσ διατομισ του χυτοφ προϊόντοσ, κακϊσ και με τθν ςυγκζντρωςθ μθ μεταλλικϊν εγκλειςμάτων κατά τθν μεταφορά του τιγματοσ από το ζνα δοχείο ςτο άλλο. Για αυτό τον λόγο θ διεργαςία πρζπει να ελζγχεται πολφ προςεκτικά ϊςτε να επιτυγχάνεται θ ςυςςωμάτωςθ και απομάκρυνςθ των μθ μεταλλικϊν εγκλειςμάτων από το λιωμζνο μζταλλο. Όςον αφορά τα φαινόμενα διαφοριςμοφ και αυτά είναι παρόμοια με αυτά που περιγράφονται για τθν χφτευςθ με πλινκϊματα, όμωσ το μικρότερο μζγεκοσ τθσ ςτερεοποιοφμενθσ διατομισ κακϊσ και ο ακριβισ ζλεγχοσ των παραμζτρων τθσ μεκόδου κάνουν αυτά τα προβλιματα πολφ μικρότερα. Όπωσ ζχει αναφερκεί, θ μζκοδοσ τθσ ςυνεχοφσ χφτευςθσ ζχει ςχεδόν ολοκλθρωτικά αντικαταςτιςει αυτι τθσ χφτευςθσ με πλινκϊματα λόγω των ςθμαντικϊν πλεονεκτθμάτων που παρουςιάηει και τα οποία περιλαμβάνουν: Μειωμζνο κόςτοσ Καλφτερθ Ποιότθτα (μειωμζνα φαινόμενα διαφοριςμοφ) Καλφτερθ απόδοςθ (δεν υπάρχει ανάγκθ για αφαίρεςθ των άκρων) Μειωμζνεσ Απαιτιςεισ Ενζργειασ (τα προϊόντα ςτζλνονται κατευκείαν για κερμι ζλαςθ και οι διαςτάςεισ τουσ είναι πιο κοντά ςε αυτζσ του τελικοφ προϊόντοσ) Λιγότερθ Μόλυνςθ /31

81 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ 2. Δςπωπαϊκή Πποηςποποίηζη Υαλύβων Ομοιόμορφοι κανόνεσ εφαρμόηονται ςτθν Ευρϊπθ για τον προςδιοριςμό των χαλφβων (για όλεσ τισ χϊρεσ-μζλθ CEN). Αυτζσ οι προδιαγραφζσ ορίηονται ςε μια ςειρά προτφπων: EN 10020: "Definition and Classification of Grades of Steel" EN : Designation system for steels. Steel names. EN : Designation systems for steels. Numerical system EN 10079: definition of steel products Σο ενοποιθμζνο ςφςτθμα ονομαςίασ για χάλυβεσ ςθμαίνει ότι ςε όλεσ τισ χϊρεσ-μζλθ CEN (προσ το παρόν Αυςτρία, Βζλγιο, Βουλγαρία, Δανία, Γερμανία, Εςκονία, Φινλανδία, Ελλάδα, Ουγγαρία, Ιςλανδία, Ιρλανδία, Ιταλία, Λεττονία, Λουξεμβοφργο, Μάλτα, Ολλανδία, Νορβθγία, Αυςτρία, Πολωνία, Πορτογαλία, Ρουμανία, ουθδία, Ελβετία, λοβακία, λοβενία, Ιςπανία, Σςεχία και Κφπρο) με ανάπτυξθ τθσ ειςαγωγισ του χάλυβα, οι ονομαςίεσ είναι οι ίδιεσ ι κα είναι ςτο άμεςο μζλλον. υνεπϊσ οι μετατροπζσ από τθ μία ςτθν άλλθ ςε ζνα εκνικό πρότυπο και ςχετικά ηθτιματα εξαλείφονται. 2.1 Σαξινόμηζη ηων ποιοηήηων ηος σάλςβα Η ταξινόμθςθ των χαλφβων γίνεται ςφμφωνα με το EN 10020:2000 ςε κατθγορίεσ. φμφωνα με αυτό το πρότυπο οι χάλυβεσ κατθγοριοποιοφνται με δφο τρόπουσ: Καηεγοπιοποίεζε ζύμθωνα με ηεν σεμική ζύζηαζε Δεν διαφοροποιείται -όπωσ προθγουμζνωσ- ςε ελαφρά και ιςχυρά κραματωμζνουσ χάλυβεσ, αλλά ςε: Μη κραματωμζνουσ Χάλυβεσ (Non Alloy Steels) Οι μθ κραματωμζνοι χάλυβεσ είναι ποιότθτεσ χάλυβα ςτισ οποίεσ κανζνα από τα κραματικά τουσ ςτοιχεία δεν ξεπερνά τα όρια που ορίηονται ςτον πίνακα 2. Ανοξείδωτοι χάλυβεσ (Stainless Steels) Οι ανοξείδωτοι χάλυβεσ είναι χάλυβεσ με κατ' ελάχιςτο 10.5 % χρϊμιο και μζγιςτο 1.2 % άνκρακα /31

82 Άλλοι κραματωμζνοι χάλυβεσ (Other alloy Steels) 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ αν κραματωμζνοι χάλυβεσ ονομάηονται αυτοί που δε ςυμμορφϊνονται με τον οριςμό των ανοξείδωτων χαλφβων και ςτουσ οποίουσ τουλάχιςτον ζνα κραματικό ςτοιχείο ξεπερνά ςε ςυγκζντρωςθ τισ τιμζσ που αναφζρονται ςτον πίνακα Σαξινόμεζε ζύμθωνα με ηιρ καηεγοπίερ ποιόηεηαρ Σο EN 10020:2000 ταξινομεί τουσ κραματωμζνουσ και μθ κραματωμζνουσ χάλυβεσ περαιτζρω ςτισ λεγόμενεσ κφριεσ ποιοτικζσ κλάςεισ. Η προθγοφμενθ κφρια ομάδα των βαςικϊν χαλφβων παραλείπεται, ζχει ςυγχωνευτεί με τουσ μθ κραματωμζνουσ χάλυβεσ ποιότθτασ. Οι ανοξείδωτοι χάλυβεσ ταξινομοφνται από τθν περιεκτικότθτα ςε νικζλιο και τισ βαςικζσ ιδιότθτεσ. Specified Element Limit Value % by mass Aluminium (Al) 0,30 Boron (B) 0,0008 Bismuth (Bi) 0,10 Cobalt (Co) 0,30 Chromium (Cr) 0,30 Copper (Cu) 0,40 Lathanides (each) (La) 0,10 Manganese (Mn) 1,65 a) Molybdenum (Mo) 0,08 Niobium (Nb) 0,06 Nickel (Ni) 0,30 Lead (Pb) 0,40 Selenium (Se) 0,10 Silicon (Si) 0,60 Tellurium (Te) 0,10 Titanium (Ti) 0,05 Vanadium (Va) 0,10 Tungsten (W) 0,30 Zirconium (Zr) 0, /31

83 Others (except carbon, phosphorus, sulphur, nitrogen) (each) 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ 0,10 a) Where manganese is specified only as a maximum the limit value is 1,80% and the 70% rule does not aply. Πινάκασ 2. Όρια περιεκτικότθτασ κραματικϊν ςτοιχείων για τουσ μθ κραμματωμζνουσ χάλυβεσ. Πιο ςυγκεκριμζνα θ ταξινόμθςθ ςφμφωνα με τισ κατθγορίεσ ποιότθτασ είναι θ παρακάτω: Μη κραματωμζνοι χάλυβεσ ποιότητασ (non alloy quality steels) Οι μθ κραματωμζνοι χάλυβεσ ποιότθτασ είναι τφποι χαλφβων οι οποίοι, ςε γενικζσ γραμμζσ, ζχουν ειδικζσ απαιτιςεισ ιδιοτιτων, για παράδειγμα, αντοχι, ζλεγχοσ του μεγζκουσ των κόκκων, και/ι ικανότθτα μορφοποίθςθσ. Μη κραματωμζνοι ειδικοί χάλυβεσ (non alloy special steels) Οι μθ κραματωμζνοι ειδικοί χάλυβεσ ζχουν, ειδικά όςον αφορά μθ μεταλλουργικά εγκλείςματα, μια υψθλότερθ κακαρότθτα από τουσ μθ κραματωμζνουσ χάλυβεσ ποιότθτασ που αναφζρονται ςτθν προθγοφμενθ κατθγορία. τισ περιςςότερεσ περιπτϊςεισ, χρθςιμοποιοφνται για εμβάπτιςθ ι ςκλιρυνςθ τθσ επιφάνειασ και χαρακτθρίηονται από ομοιόμορφθ ανταπόκριςθ ςε τζτοιεσ κατεργαςίεσ. Η ακριβισ προςαρμογι τθσ χθμικισ ςφςταςθσ και τθσ ειδικισ προςοχισ ςτθ μζκοδο καταςκευισ και καταγραφισ παρζχει βελτιωμζνεσ ιδιότθτεσ για τθν εκπλιρωςθ υψθλότερων απαιτιςεων. Αυτζσ οι απαιτιςεισ, ςυνικωσ περιλαμβάνουν ςτενά κακοριςμζνεσ τιμζσ ορίου διαρροισ ι ικανότθτασ ςκλιρυνςθσ, μερικζσ φορζσ ςε ςυνδυαςμό με μια καταλλθλότθτα για ψυχρι διαμόρφωςθ, ςυγκόλλθςθ ι αντοχι ςε κροφςθ. Κραματωμζνοι χάλυβεσ ποιότητασ (alloy quality steels) Οι κραματωμζνοι χάλυβεσ ποιότθτασ είναι ποιότθτεσ χάλυβα για τουσ οποίουσ υπάρχουν απαιτιςεισ ςε ςχζςθ με, για παράδειγμα, τθν αντοχι, τον ζλεγχο του μεγζκουσ των κόκκων και/ ι τθν ικανότθτα διαμόρφωςθσ. αν κραματωμζνοι χάλυβεσ ποιότθτασ κεωροφνται οι παρακάτω χάλυβεσ: υγκολλιςιμοι λεπτόκοκκοι καταςκευαςτικοί χάλυβεσ ςυμπεριλαμβανομζνων των χαλφβων για δοχεία πίεςθσ και ςωλινων που ικανοποιοφν όλεσ τισ παρακάτω απαιτιςεισ: SMYS (Ελάχιςτο όριο διαρροισ) <380 N/mm 2 Περιεκτικότθτα ςε κραματικά ςτοιχεία χαμθλότερθ από τα όρια που δίνονται ςτον πίνακα /31

84 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Ελάχιςτο όριο διαρροισ ςτουσ -50 C 27J Κραματωμζνοι χάλυβεσ για ςιδθροδρομικζσ ράγεσ Κραματωμζνοι χάλυβεσ για εφαρμογζσ εν ψυχρϊ διαμόρφωςθσ που περιζχουν μικροκραμματικά ςτοιχεία (grain refining elements) Κραματωμζνοι χάλυβεσ που ζχουν τον χαλκό ςαν το μόνο προςδιοριςμζνο κραματικό ςτοιχείο. Limit Value Specified Element % by mass Chromium (Cr) 0,50 Copper (Cu) 0,50 Manganese (Mn) 1,80 Molybdenum (Mo) 0,10 Niobium (Nb) 0,08 Nickel (Ni) 0,50 Titanium (Ti) 0,12 Vanadium (Va) 0,12 Zirconium (Zr) 0,12 Πινάκασ 3 υγκολλιςιμοι λεπτόκοκκοι καταςκευαςτικοί χάλυβεσ. Όρια χθμικισ ςφςταςθσ μεταξφ χαλφβων ποιότθτασ (quality steels) ειδικϊν χαλφβων (special steels). Kραματωμζνοι ειδικοί χάλυβεσ (alloy special steels) Αυτι θ κατθγορία περιλαμβάνει ποιότθτεσ χάλυβα εκτόσ από ανοξείδωτουσ χάλυβεσ οι οποίεσ χαρακτθρίηονται από ακριβι ζλεγχο τθσ χθμικισ ςφςταςθσ και από ειδικζσ ςυνκικεσ καταςκευισ και ελζγχου τθσ διεργαςίασ για τθ διαςφάλιςθ βελτιωμζνων ιδιοτιτων, οι οποίεσ ςυχνά προδιαγράφονται ςε ςυνδυαςμό και εντόσ ςτενά ελεγχόμενων ορίων. Όλοι οι κραματωμζνοι χάλυβεσ που δεν ανικουν ςτθν κατθγορία των ποιοτικϊν χαλφβων (alloy quality steels) ανικουν ςτθν κατθγορία των ειδικϊν (alloy special steels). Η κατθγορία των κραματωμζνων ειδικϊν χαλφβων, περιλαμβάνει κραματωμζνουσ χάλυβεσ για διάφορεσ μθχανολογικζσ εφαρμογζσ όπωσ εξοπλιςμόσ υπό πίεςθ, ρουλεμάν, εργαλειοχάλυβεσ, και χάλυβεσ με ειδικζσ φυςικζσ ιδιότθτεσ /31

85 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Ανοξείδωτοι χάλυβεσ Οι ανωξείδωτοι χάλυβεσ ορίηονται ςτο EN ςφμφωνα με τθν χθμικι τουσ ςφςταςθ. Κατθγοριοποιοφνται περαιτζρω ςφμφωνα με τα παρακάτω κριτιρια: Βάςθ τθσ περιεκτικότθτασ ςε νικζλιο λιγότερο από 2.5% Ni και περιςςότερο από 2.5% Ni. φμφωνα με τθν κφρια ιδιότθτα τουσ ςε corrosion resisting, heat resisting και creep resisting 2.2 Ονομαηολόγια σαλύβων ζύμθωνα με ηο ΔΝ Για ςκοποφσ αναγνϊριςθσ των χαλφβων εκδόκθκε το EN τον Οκτϊβριο του Αυτό το πρότυπο κακορίηει τουσ κανόνεσ για τθν ονομαςία των χαλφβων μζςω χαρακτθριςτικϊν γραμμάτων και αρικμϊν κακϊσ και πλθροφοριϊν ςτισ κφριεσ ιδιότθτεσ. φμφωνα με το EN θ ονομαςία των χαλφβων γίνεται με δφο τρόπουσ: Χάλυβεσ, που ονομάηονται με βάςθ τθν εφαρμογι τουσ και ςτισ μθχανικζσ ι φυςικζσ ιδιότθτεσ τουσ. Χάλυβεσ που ονομάηονται με βάςθ τθν χθμικι τουσ ςφςταςθ. θμείωςθ: Οι χαρακτθριςμοί του Ευρωπαϊκοφ κϊδικα για χάλυβεσ γράφονται γενικά χωρίσ κενοφσ χαρακτιρεσ Υάλςβερ, πος ονομάδονηαι με βάζε ηεν εθαπμογή ηοςρ και ζηιρ μεσανικέρ ή θςζικέρ ιδιόηεηερ ηοςρ. Η ονομαςία αυτϊν των χαλφβων αποτελείται από τα κφρια και τα πρόςκετα ςφμβολα. Σα κφρια ςφμβολα περιλαμβάνουν ζνα γράμμα το οποίο δίνει πλθροφορίεσ για τθν εφαρμογι του χάλυβα: S = Χάλυβεσ για γενικι χαλφβδινθ καταςκευι, P = Χάλυβεσ για τθν καταςκευι δοχείων υπό πίεςθ, L = Χάλυβεσ για τθν καταςκευι αγωγϊν, E = Χάλυβεσ μθχανολογικισ μθχανικισ, B = Χάλυβεσ ςκυροδζματοσ. Και ζνα νοφμερο το οποίο υποδθλϊνει το ελάχιςτο όριο διαρροισ του χάλυβα /31

86 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Σα πρόςκετα ςφμβολα χωρίηονται ςε δφο κατθγορίεσ, αυτά που δίνουν πλθροφορίεσ για άλλεσ ιδιότθτεσ του χάλυβα (δφο ομάδεσ) και αυτά που δίνουν πλθροφορίεσ για το προϊόν του χάλυβα (μία ομάδα). Σο ςχιμα 12 παρακάτω δίνει ςυγκεντρωτικά τον μθχανιςμό ονομαςίασ των χαλφβων με βάςθ τθν εφαρμογι τουσ και τισ μθχανικζσ θ φυςικζσ ιδιότθτεσ τουσ. Σχήμα 12. Ονοματολογία χαλφβων ςφμφωνα με το ΕΝ με βάςθ τθν εφαρμογι τουσ και ςτισ μθχανικζσ ι φυςικζσ ιδιότθτεσ τουσ /31

87 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Σχήμα 12. Παράδειγμα ονομαςίασ για καταςκευαςτικό χάλυβα ςφμφωνα με το ΕΝ Υάλςβερ, πος ονομάδονηαι με βάζε ηεν σεμική ηοςρ ζύζηαζε. φμφωνα με το EN δεν υπάρχει πλζον ςαφι διαφοροποίθςθ των κραματωμζνων χαλφβων ςε "ελαφρά κραματωμζνουσ" και "ιςχυρά κραματωμζνουσ". Οι κραματωμζνοι χάλυβεσ που ςε γενικζσ γραμμζσ δεν περιλαμβάνουν περιςςότερο από 5 % κραματικϊν ςτοιχείων (προθγουμζνωσ "ελαφρά κραματωμζνοι") ονομάηονται όπωσ ακολουκεί: Μη κραματωμζνοι χάλυβεσ με μια μζςη περιεκτικότητα-mn < 1 % C με μια μζςθ περιεκτικότθτα άνκρακα του χάλυβα x 100 (αρικμόσ άνκρακα). Για παράδειγμα: C15 = μθ κραματωμζνοσ χάλυβασ ενανκράκωςθσ με 0.15 % C (ςυμφ. με EN 10084) C45 = μθ κραματωμζνοσ κερμικά κατεργαςμζνοσ χάλυβασ με 0.45 % C (ςυμφ. με EN και -2). Για να φανοφν οι απαραίτθτεσ διαφορζσ μεταξφ των αναρίκμθτων μθ κραματωμζνων χαλφβων και τθσ μεταξφ τουσ ςχζςθσ, υπάρχει θ ακόλουκθ ςθμαςία ςφμφωνα με τθν ονομαςία των υλικϊν: χωρίσ άλλο ςφμβολο = μθ κραματωμζνοι ποιοτικοί χάλυβεσ όπωσ C /31

88 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ E = ειδικοί χάλυβεσ με χαμθλζσ περιεκτικότθτεσ φϊςφορου και κείου όπωσ C45E R = ειδικοί χάλυβεσ με μια κακοριςμζνθ περιεκτικότθτα κείου από 0.02 ζωσ 0.04 % όπωσ C60R Μη κραματωμζνοι χάλυβεσ με ζνα μζςο όρο 1 % Mn καθώσ και κραματωμζνοι χάλυβεσ εφόςον η μζςη περιεκτικότητα ενόσ μεμονωμζνου κραματικοφ ςτοιχείου είναι < 5 %. ε αυτοφσ τουσ χάλυβεσ, εκτόσ από τον αρικμό που υποδθλϊνει τθν περιεκτικότθτα ςε άνκρακα αναφζρονται και τα υπόλοιπα κραματικά ςτοιχεία που είναι απαραίτθτα για να διαχωριςτεί ο χάλυβασ από άλλεσ παρόμοιεσ ποιότθτεσ χάλυβα. Οι αρικμοί που ακολουκοφν τα κραματικά ςτοιχεία δεν αναπαριςτοφν τισ πραγματζσ ποςότθτεσ των κραματικϊν ςτοιχείων αλλά τθν ονομαςτικι περιεκτικότθτα των κραματικϊν ςτοιχείων που ηθτοφνται πολλαπλαςιαςμζνα με τουσ ακόλουκουσ αρικμοφσ. Cr, Co, Mn, Ni, Si, W 4 Al, Be, Cu, Mo, Nb, Ta, Ti, V, Zr 10 C, Ce, N, P, S 100 B (Βόριο) 1000 Ζτςι για παράδειγμα, θ ονομαςία του χάλυβα 13CrMo4-5 ςτα πιο ςθμαντικά κραματικά ςυςτατικά μποροφν να κακοριςτοφν όπωσ ακολουκεί: Αρικμόσ άνκρακα 13 : 100 = 0.13 % C; Κραματικόσ αρικμόσ για Cr =4; 4 : 4 = 1 % Cr; Κραματικόσ αρικμόσ για Mo = 5; 5 : 10= 0.5 % Mo. Χαρακτθριςμόσ: Δομικόσ χάλυβασ λζβθτα ανκεκτικόσ ςτον ερπυςμό, κραματωμζνοσ με χρϊμιο και μόλυβδο ςφμφωνα με το EN Άλλο παράδειγμα: 13S20 Αρικμόσ άνκρακα 13 : 100 = 0.13 % C; Κραματικόσ αρικμόσ για S = 20; 20 : 100 = 0.2 % S. Χαρακτθριςμόσ: Ο ελαφρά κραματωμζνοσ χάλυβασ μθχανθμάτων με μια μζςθ περιεκτικότθτα άνκρακα (υψθλι περιεκτικότθτα κείου για βελτιωμζνθ επεξεργαςιμότθτα με το EN 10087) /31

89 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Ανοξείδωτοι χάλυβεσ και χάλυβεσ άλλων κραμάτων εφ'όςον η μζςη περιεκτικότητα τουλάχιςτον ενόσ κραματικοφ ςτοιχείου είναι 5 %. Η ςυντομογραφία αυτϊν των χαλφβων ξεκινά με το γράμμα X, με ςκοπό να αποφευχκεί θ ςφγχυςθ μεταξφ των μθ κραματωμζνων χαλφβων όπου θ μζςθ περιεκτικότθτα του μεμονωμζνου κραματικοφ ςτοιχείου είναι < 5 % (προθγουμζνων "ελαφρά κραματωμζνοι χάλυβεσ"). ε αυτό το ςθμείο ακολουκεί ο χαρακτθριςτικόσ αρικμόσ για τθ μζςθ περιεκτικότθτα άνκρακα (με τον ίδιο ςυντελεςτι 100), τα ςφμβολα για τα κραματικά ςτοιχεία που κακορίηουν τισ ιδιότθτεσ και τουσ αρικμοφσ που υποδθλϊνουν τθν περιεκτικότθτα για τα πιο ςθμαντικά κραματικά ςτοιχεία. ε αυτι τθν περίπτωςθ, οι προθγοφμενοι ςυντελεςτζσ δε χρθςιμοποιοφνται πλζον, δθλ. οι χαρακτθριςτικοί αρικμοί για τα κράματα δθλϊνουν τισ πραγματικζσ περιεκτικότθτεσ ςε ποςοςτό (ςτρογγυλοποιθμζνο). Για παράδειγμα: X6CrNiTi18-10 Ανοξείδωτοσ χάλυβασ με 0.06 % C, 18 % Cr και 10 % Ni. Σο ςτοιχείο Ti κακορίηει τθσ ιδιότθτεσ αυτοφ του χάλυβα (το ονομαηόμενο ςτακεροποιθτικό ςτοιχείο) αλλά δεν υπάρχει καμία ζνδειξθ ςε ποςοςτό του κράματοσ. 2.3 Ονομαηολόγια σαλύβων ζύμθωνα με ηο ΔΝ Σο δεφτερο μζροσ του ΕΝ περιγράφει ζνα αρικμθτικό ςφςτθμα για τθν ονοματολογία χαλφβων. Σα νοφμερα που δίνονται βάςει αυτοφ του ςυςτιματοσ ζχουν ζναν ςτακερό αρικμό ψθφίων ςφμφωνα με τα παρακάτω: /31

90 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ O διψιφιοσ αρικμόσ που κακορίηει τθν ομάδα του χάλυβα δίνεται από τον πίνακα 4 για τουσ μθ κραματωμζνουσ χάλυβεσ και από τον πίνακα 5 για τουσ κραματωμζνουσ. Αντίςτοιχα ο τρίτοσ διψιφιοσ ςειριακόσ αρικμόσ δίνεται από τουσ πίνακεσ 6 και 7 για κραματωμζνουσ και μθ κραματωμζνουσ χάλυβεσ /31

91 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Πινάκασ 4. Αρικμοί για τισ ομάδεσ χάλυβα για μθ κραματωμζνουσ χάλυβεσ /31

92 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Πινάκασ 5. Αρικμοί για τισ ομάδεσ χάλυβα για κραματωμζνουσ χάλυβεσ. Πινάκασ 6. ειριακοί αρικμοί για μθ κραματωμζνουσ χάλυβεσ /31

93 2.4 ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΚΑΣΗΓΟΡΙΟΠΟΙΗΗ ΧΑΛΤΒΩΝ Πινάκασ 7. ειριακοί αρικμοί για κραματωμζνουσ χάλυβεσ /31

94 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ 2.5 ΤΜΠΔΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΔΤΑΣΙΚΩΝ ΥΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΗΝ ΤΓΚΟΛΛΗΗ 1. Θεπμικόρ Κύκλορ και Γομή μιαρ ςγκόλλησηρ H ςυγκόλλθςθ με τιξθ είναι ουςιαςτικά μία τοπικι διαδικαςία χφτευςθσ. ε αντιςτοιχία τα μζρθ που κα ςυγκολλθκοφν υφίςτανται μία τοπικι κερμικι κατεργαςία ανάλογα με τθν απόςταςθ τουσ από το ςθμείο τθσ τιξθσ. Ζτςι, οι ιδιότθτεσ του προσ ςυγκόλλθςθ υλικοφ κακϊσ και κατάςταςθ του υλικοφ ςτθν κερμικά επθρεαςμζνθ ηϊνθ κα είναι περιςςότερο ι λιγότερο τροποποιθμζνεσ. Σα παραπάνω φαίνονται ςτο ςχιμα 1. Σχήμα 1. Επιρροι του κερμικοφ κφκλου μίασ ςυγκόλλθςθσ ςε ζναν απλό καταςκευαςτικό χάλυβα. Σο μζγεκοσ των αλλαγϊν ςτθν Θερμικά Επθρεαςμζνθ Ηϊνθ εξαρτάται από τθν ποςότθτα τθσ κερμότθτασ που δίνεται από τθν μζκοδο ςυγκόλλθςθσ ςτθν περιοχι αυτι. Μζτρο τθσ 2.5-1/15

95 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ παροχισ κερμότθτασ ςτθν περιοχι τθσ ςυγκόλλθςθσ είναι το Heat Input το οποίο ορίηεται ςτο EN 1011 ωσ: Θ κερμικι παροχι με αυτόν τον τφπο μετριζται ςε μονάδεσ kj/mm. Ο ςυντελεςτισ k μεταβάλλεται μεταξφ 0.6 και 1 ανάλογα με τθν μζκοδο ςυγκόλλθςθσ που ακολουκείται, "U"και "I" είναι θ τάςθ και θ ζνταςθ του ρεφματοσ τθσ ςυγκόλλθςθσ αντίςτοιχα ενϊ ςαν "v" ορίηεται θ ταχφτθτα τθσ ςυγκόλλθςθσ. Άλλοι παράγοντεσ που επθρεάηουν τθν ταχφτθτα ψφξθσ ςτθν ΘΕΗ και επομζνωσ και τθν ςκλθρότθτα των φάςεων που δθμιουργοφνται ςε αυτι κατά τθν ςυγκόλλθςθ, είναι το πάχοσ των προσ ςυγκόλλθςθ τεμαχίων και θ κερμοκραςία προκζρμανςθσ. Θ κερμικά επθρεαςμζνθ ηϊνθ περιλαμβάνει εκείνεσ τισ περιοχζσ που επθρεάηονται από τθν κερμότθτα κατά τθν διάρκεια τθσ ςυγκόλλθςθσ. Αυτό ςθμαίνει ότι το μζγεκοσ τθσ ΘΕΗ μπορεί να είναι ςθμαντικά διαφορετικό ανάλογα τθν εφαρμογι και τον τφπο των χαλφβων προσ ςυγκόλλθςθ. Παραδείγματοσ χάρθ κατά τθν ςυγκόλλθςθ ενόσ μθ κραματωμζνου ανκρακοφχου χάλυβα, οποιαδιποτε περιοχι με κερμοκραςία κάτω των 700 C μπορεί να κεωρθκεί ότι δεν επθρεάηεται ςθμαντικά από τθν ςυγκόλλθςθ. Αντίκετα κατά τθν ςυγκόλλθςθ ενόσ χάλυβα υψθλισ αντοχισ που ζχει υποςτεί ςκλιρυνςθ και επαναφορά ςτουσ 315 C κάκε περιοχι που υπερβαίνει αυτι τθν κερμοκραςία κεωρείται μζροσ τθσ ΘΕΗ. Κατά τθν διάρκεια μίασ ςυγκόλλθςθσ πολλαπλϊν πάςςων, κάκε καινοφριο πάςςο δθμιουργεί ζνα μθχανιςμό ανόπτθςθσ ςτα προθγοφμενα πάςα όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 2. Σχήμα 2. Θερμικοί κφκλοι ςε μία ςυγκόλλθςθ πολλαπλϊν πάςςων /15

96 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ Με αυτό τον τρόπο μία ςυγκόλλθςθ πολλαπλϊν πάςςων επιτυγχάνει βζλτιςτεσ μθχανικζσ και τεχνολογικζσ ιδιότθτεσ μειϊνοντασ ςτο ελάχιςτο τα ςθμεία με υψθλι ςκλθρότθτα που μπορεί να δθμιουργιςουν προβλιματα ρωγμάτωςθσ. ε περιπτϊςεισ κρίςιμων εφαρμογϊν με ςοβαρζσ απαιτιςεισ ςτισ μθχανικζσ και τεχνολογικζσ ιδιότθτεσ μίασ ςυγκόλλθςθσ και ειδικά κατά τθν ςυγκόλλθςθ χαλφβων υψθλισ αντοχισ που ζχουν υποςτεί βαφι και επαναφορά, τα λεγόμενα κορδόνια "κακαριςμοφ" μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν για τθν επαναφορά των περιοχϊν τθσ ΘΕΗ που ζχουν δθμιουργθκεί και δεν ζχει καταςτεί δυνατό να ανοπτθκοφν από κάποιο από τα υπόλοιπα πάςςα τθσ ςυγκόλλθςθσ. Θ τεχνικι αυτι ονομάηεται temper bead welding και φαίνεται ςτο ςχιμα 3. Σχήμα 3. Σεχνικι temper bead welding για τθν επαναφορά κρίςιμων περιοχϊν τθσ ΘΕΗ. 1.1 Μέταλλο τηρ ςγκόλλησηρ Σο μζταλλο τθσ ςυγκόλλθςθσ τικεται και μετά από μία πικανι αλλαγι τθσ ςφςταςθσ του από τθν προςκικθ κραματικϊν ςτοιχείων από το υλικό του θλεκτροδίου και το μζταλλο βάςθσ ςτθν ςυνζχεια ςτερεοποιείται. Θ διαδικαςία αυτι αποτελεί μία μικρογραφία τθσ χφτευςθσ των μετάλλων με τθν διαφορά ότι ο όγκοσ του ςτερεοποιοφμενου μετάλλου είναι πολφ μικρότεροσ από τον αντίςτοιχο όγκο ςτα χυτά και ο χρόνοσ ςτερεοποίθςθσ πολφ πιο ςφντομοσ. Αποτζλεςμα αυτισ τθσ διαδικαςίασ χφτευςθσ είναι θ ςτερεοποίθςθ του μετάλλου τθσ ςυγκόλλθςθσ με μία δενδριτικι δομι τθσ οποίασ οι δενδρίτεσ ακολουκοφν τισ γραμμζσ ροισ τθσ κερμότθτασ (heat flow lines) όπωσ φαίνεται ςτα ςχιματα 4 και /15

97 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ Σχήμα 4. Δενδριτικι ςτερεοποίθςθ του μετάλλου τθσ ςυγκόλλθςθσ κατά μικοσ των γραμμϊν ροισ τθσ κερμότθτασ. Σχήμα 5. Δενδριτικι ςτερεοποίθςθ του μετάλλου τθσ ςυγκόλλθςθσ κατά μικοσ των γραμμϊν ροισ τθσ κερμότθτασ /15

98 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ Ζνα φαινόμενο που επθρεάηει τθν χθμικι ςφςταςθ και τθν τελικι μικροδομι του μετάλλου τθσ ςυγκόλλθςθσ, είναι το φαινόμενο τθσ διαλυτοποίθςθσ (dilution). Με τον όρο διαλυτοποίθςθ εννοοφμε τθν αλλαγι τθσ ςφςταςθσ του μετάλλου προςκικθσ τθσ ςυγκόλλθςθσ, λόγω τθσ ανάμιξθσ του με το βαςικό μζταλλο των προσ ςυγκόλλθςθ τεμαχίων. Σο φαινόμενο τθσ διαλυτοποίθςθσ είναι ιδιαίτερα ςθμαντικό ςτισ περιπτϊςεισ όπου το μζταλλο προςκικθσ που χρθςιμοποιείται ςτθν ςυγκόλλθςθ είναι διαφορετικό από αυτό του μετάλλου βάςθσ. Θ διαλυτοποίθςθ D ορίηεται ωσ το βάροσ ι ο όγκοσ του βαςικοφ μετάλλου που ζχει λιϊςει προσ το ςυνολικό βάροσ ι τον όγκο του μετάλλου τθσ ςυγκόλλθςθσ όπωσ φαίνεται ςτο ςχιμα 6. Vb D V V a b 100 Σχήμα 6. χθματικι αναπαράςταςθ του υπολογιςμοφ τθσ διαλυτοποίθςθσ. Συπικζσ τιμζσ διαλυτοποίθςθσ για διάφορεσ μεκόδουσ ςυγκολλιςεων είναι: SMAW: πάςςο ςτθν ρίηα D = 30%, πάςςα γεμίςματοσ D = 10% TIG: D = 20-40% MIG/MAG: πρϊτα πάςςα D = 10-40%, πάςςα γεμίςματοσ D = 5-20% /15

99 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ 2. κλήπςνση και Πποθέπμανση Όπωσ ζχει ιδθ αναφερκεί θ γριγορθ ψφξθ από τθν ωςτενιτικι περιοχι που ςυμβαίνει κατά τθν διάρκεια τθσ ςυγκόλλθςθσ των καταςκευαςτικϊν χαλφβων μπορεί να οδθγιςει ςτθν δθμιουργία ςκλθρϊν φάςεων, οι οποίεσ ςε ςυνδυαςμό με τθν φπαρξθ παραμζνουςων τάςεων ςτθν περιοχι τθσ ςυγκόλλθςθσ ενζχουν τον κίνδυνο δθμιουργίασ ρωγμϊν. Για αυτό τον λόγο πολλοί μθ κραματωμζνοι και κραματωμζνοι χάλυβεσ παρουςιάηουν προβλιματα ςτθν ςυγκολλθςιμότθτα τουσ από μία οριςμζνθ περιεκτικότθτα άνκρακα και κραματικϊν ςτοιχείων και πάνω. Θ πιο αποτελεςματικι λφςθ ςε τζτοια προβλιματα ςυγκολλθςιμότθτασ είναι θ μείωςθ τθσ ταχφτθτασ ψφξθσ με τθν χριςθ προκζρμανςθσ. Θ ταχφτθτα ψφξθσ εξαρτάται ςε μεγάλο βακμό και από τθν μάηα διάχυςθσ κερμότθτασ ςτθν περιοχι τθσ ςυγκόλλθςθσ. Ζνα παχφ ζλαςμα για παράδειγμα απομακρφνει τθν ειςαγόμενθ κερμότθτα ςτθν μεταβατικι περιοχι τόςο γριγορα ϊςτε να μπορεί να αποκτθκεί θ κρίςιμι ταχφτθτα ψφξθσ και να ςχθματιςτεί ο μαρτενςίτθσ και άλλεσ ςκλθρζσ δομζσ ακόμα και ςε χάλυβεσ με ςχετικά μικρι περιεκτικότθτα ςε άνκρακα και άλλα κραματικά ςτοιχεία. Άλλοι παράγοντεσ που επθρεάηουν τθν ταχφτθτα ψφξθσ είναι επίςθσ θ επιλογι του τφπου του θλεκτροδίου, θ διάμετροσ του θλεκτροδίου και θ ταχφτθτα τθσ ςυγκόλλθςθσ. ε αυτι τθ ςκλθρι ηϊνθ εμφανίηονται υψθλζσ μθχανικζσ παραμζνουςεσ τάςεισ, κακϊσ το υλικό παρεμποδίηεται να τισ μειϊςει μζςω πλαςτικισ παραμόρφωςθσ. Επιπρόςκετα, και ιδιαίτερα ςε διατομζσ μεγαλφτερου πάχουσ, δθμιουργείται ζνα πολυαξονικό ςφςτθμα τάςεων εφελκυςμοφ που είναι ακόμα πιο αυξθμζνο από το γεγονόσ ότι ο όγκοσ αυξάνεται κατά τθ διάρκεια του ςχθματιςμοφ του μαρτενςίτθ. Αν οι τάςεισ φτάςουν τθ ςυνεκτικι αντοχι, ςχθματίηονται ρωγμζσ ςτθ μεταβατικι περιοχι. Σο υδρογόνο είναι ζνασ επιπλζον παράγοντασ που μπορεί να ζχει επίδραςθ ςτθν παραγωγι αυτϊν των ρωγμϊν ςτθν ΘΕΗ. Ο πίνακασ 1 δείχνει τθν ςχζςθ μεταξφ τθσ ρωγμάτωςθσ ςτθν ΘΕΗ, τθσ μζγιςτθσ ςκλθρότθτασ και τθσ περιεκτικότθτασ ςε μαρτενςίτθ ςε μθ κραματωμζνουσ και κραματωμζνουσ χάλυβεσ. Πίνακας 1. χζςθ μεταξφ ρωγμάτωςθσ ςτθν ΘΕΗ, τθσ μζγιςτθσ ςκλθρότθτασ και τθσ περιεκτικότθτασ ςε μαρτενςίτθ /15

100 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ Προκειμζνου να αποφευχκεί θ δθμιουργία ςκλθρϊν φάςεων, μπορεί να γίνει χριςθ του ιςοδυνάμου άνκρακα και του πίνακα 2 και να επιλεχκεί θ κατάλλθλθ κερμοκραςία προκζρμανςθσ για τθν εφαρμογι μασ. Σο ιςοδφναμο άνκρακα για χριςθ με τον πίνακα 2 μπορεί να υπολογιςτεί από τθν ςχζςθ: Κ = C + Mo/5 + Cr/5 + Mn/6 + Ni/15 + V/5 + Cu/15 Θ παραπάνω εξίςωςθ είναι κατάλλθλθ για τον υπολογιςμό του ιςοδφναμου άνκρακα για χάλυβεσ που ικανοποιοφν τισ παρακάτω απαιτιςεισ χθμικισ ςφςταςθσ: C μζχρι 0.50 % Mn μζχρι 1.6 % V μζχρι 0.2 % Cr μζχρι 1.00 % Ni μζχρι 3.5 % Mo μζχρι 0.60 % Cu μζχρι 1.0 % Πίνακας 2. Θ κερμοκραςία προκζρμανςθσ, ανάλογα με τθν τιμι K, το πάχοσ του ελάςματοσ και τθ διαμζτρου του θλεκτροδίου (ςφμφ.με K. Mrosko) /15

101 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ Πίνακας 2 (συνέχεια). Θ κερμοκραςία προκζρμανςθσ, ανάλογα με τθν τιμι K, το πάχοσ του ελάςματοσ και τθ διαμζτρου του θλεκτροδίου (ςφμφ.με K. Mrosko). Παράδειγμα: Ζνα ζλαςμα πρόκειται να ςυγκολλθκεί χρθςιμοποιϊντασ μετωπικι ςφνδεςθ. Σο πάχοσ του ελάςματοσ είναι 25mm. Οι ακόλουκεσ τιμζσ περιεκτικότθτασ κραματικϊν ςτοιχείων ζχουν κακοριςτεί: C = 0.2 % Mn = 1.2 % Cr = 0.5 % κακοριςμόσ τθσ κερμοκραςίασ προκζρμανςθσ που κα απαιτθκεί όταν χρθςιμοποιείται ζνα θλεκτρόδιο με διάμετρο 4 mm. Λφςθ: Σο ιςοδφναμο άνκρακα υπολογίηεται Κ = Mo/ / /6 + Ni/15 + V/5 + Cu/15 = 0.5 Για K = 0.5, διάμετρο θλεκτροδίου = 4mm, πάχοσ ελάςματοσ = 25mm, θ μετωπικι ςυγκόλλθςθ ςφμφωνα με τον πίνακα 2 απαιτεί μία προκζρμανςθ 150 C /15

102 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ 3. ΟΓΗΓΙΔ ΓΙΑ ΣΗΝ ΤΓΚΟΛΛΗΗ ΚΑΣΑΚΔΤΑΣΙΚΩΝ ΥΑΛΤΒΩΝ Σο ΕΝ περιζχει μία ςειρά κατευκυντιριων οδθγιϊν για τθν ςυγκόλλθςθ των φερριτικϊν χαλφβων, και τον υπολογιςμό τθσ κερμοκραςίασ προκζρμανςθσ όπου αυτι απαιτείται. Οι κατευκφνςεισ τθσ ςειράσ του ΕΝ 1011 δεν κα εξεταςτοφν ςτο παρόν κεφάλαιο αλλά κα καλυφτοφν ςε επόμενα κεφάλαια όταν εξετάηεται θ ικανότθτα ςυγκόλλθςθσ ειδικϊν κατθγορίων κραμάτων του χάλυβα. Θα αναφζρουμε όμωσ τθν μεκοδολογία που χρθςιμοποιείται ςτθν κατευκυντιρια οδθγία SEW088 "Guidelines for the Welding of Fine Grained Structural Steels". Αυτι θ κατευκυντιρια οδθγία είναι ζγκυρθ για: Ομαλοποιθμζνουσ ι κερμοδυναμικά ελαςμζνουσ λεπτόκοκκουσ δομικοφσ χάλυβεσ ςφμφωνα με EN , EN , EN , EN , EN Χάλυβεσ επαναφοράσ με υψθλό όριο ελαςτικότθτασ ςφμφωνα με EN Πλιρωσ κακθςυχαςμζνουσ χάλυβεσ (τφποσ αποξείδωςθσ FF), π.χ. S355J2 ςφμφωνα με EN Μθ κραματωμζνουσ χάλυβεσ υψθλισ κερμοκραςίασ με ελάχιςτθ περιεκτικότθτα ςε Al 0.020% π.χ. P355GH ςφμφωνα με EN με ελάχιςτο ςθμείο ελαςτικότθτασ ιςοδφναμο με ι μεγαλφτερο από 355 N/mm². Για χάλυβεσ με ελάχιςτο όριο διαρροισ μικρότερο από 355 N/mm² ςυνίςταται θ εφαρμογι αυτϊν των κατευκυντιριων οδθγιϊν. Χρόνος Ψύξης t 8/5 Αυτόσ είναι ο χρόνοσ που χρειάηεται θ κερμοκραςία για να πζςει από τουσ 800 ςτουσ 500 C κατά τθν διάρκεια μιασ ςυγκόλλθςθσ. Ο χρόνοσ αυτόσ ψφξθσ είναι κακοριςτικισ ςθμαςίασ για τισ μθχανικζσ ιδιότθτεσ μιασ ςυγκόλλθςθσ και επθρεάηεται ςθμαντικά από το πάχοσ του δομικοφ μζρουσ, το ςχιμα τθσ ραφισ, τθν ενζργεια ανά μονάδα μικουσ και τθ κερμοκραςία προκζρμανςθσ κακϊσ και από τθ δομι των ςτρϊςεων. Για τουσ χάλυβεσ που εξετάηονται εδϊ ζχει αποδειχκεί ότι τιμζσ για το χρόνο ψφξθσ t 8/5 μεταξφ 10 και 25 s. δίνουν ςυγκολλιςεισ που καλφπτουν τισ 2.5-9/15

103 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ απαιτοφμενεσ μθχανικζσ ιδιότθτεσ. ε ειδικζσ περιπτϊςεισ βζβαια μπορεί να απαιτθκεί θ ςυγκόλλθςθ αυτϊν των χαλφβων με διαφορετικζσ τιμζσ για τον χρόνο t 8/5. ε γενικζσ γραμμζσ οι μζγιςτεσ τιμζσ ςκλθρότθτασ ςτθ κερμοεπθρεαηόμενθ ηϊνθ μειϊνονται με ζνα αυξανόμενο χρόνο ψφξθσ t 8/5 Αν μία κακοριςμζνθ μζγιςτθ τιμι ςκλθρότθτασ ςτθ κερμοεπθρεαηόμενθ ηϊνθ δεν πρζπει να ξεπεραςτεί, οι ςυνκικεσ ςυγκόλλθςθσ πρζπει να επιλεχκοφν με τζτοιο τρόπο ϊςτε ο χρόνοσ ψφξθσ t 8/5 να μθν πζςει κάτω από μία κακοριςμζνθ τιμι. Από τθν άλλθ πλευρά, θ αφξθςθ τιμϊν του χρόνου ψφξθσ t 8/5 οδθγοφν ςε μία μείωςθ του ζργου κροφςθσ τθσ κερμοεπθρεαηόμενθσ ηϊνθσ. Αν θ κακοριςμζνθ τιμι του ζργου κροφςθσ για ζνα ςυγκεκριμζνο χάλυβα δεν πρζπει να πζςει κάτω από μία δοκείςα ελάχιςτθ τιμι, οι ςυνκικεσ ςυγκόλλθςθσ πρζπει να επιλεχκοφν με τζτοιο τρόπο ϊςτε μία κακοριςμζνθ τιμι ψφξθσ t 8/5 να μθν ξεπερνιζται. Ο χρόνοσ ψφξθσ t 8/5 που πρόκειται να εφαρμοςτεί ςτο ςε κάκε περίπτωςθ βαςίηεται ςτισ ςυνολικζσ απαιτιςεισ των μθχανικϊν ιδιοτιτων ςυμπεριλαμβανομζνων των απαιτιςεων ςτισ τιμζσ αντοχισ τθσ ςυγκόλλθςθσ μετά τθν τελικι κερμικι κατεργαςία. Ζνασ ςυνδυαςμόσ τθσ τάςθσ του τόξου, τθσ ζνταςθσ του ρεφματοσ ςυγκολλιςθσ, τθσ ταχφτθτασ ςυγκόλλθςθσ, και τθσ κερμοκραςίασ προκζρμανςθσ κατάλλθλθ για το χρόνο ψφξθσ t 8/5 κα κακοριςτοφν λαμβάνοντασ υπόψθ τισ καταςκευαςτικζσ και οικονομικζσ απαιτιςεισ του ζργου. 3.1 Καθοπισμόρ τος σπόνος τύξηρ t 8/5 Ο χρόνοσ ψφξθσ t 8/5 ςφμφωνα με το SEW 088 μπορεί να υπολογιςτεί είτε με ςχζςεισ είτε με τθν βοικεια διαγραμμάτων Υπολογιζμόρ ηος Χπόνος Ψύξηρ t 8/5 με ηην σπήζη εξιζώζεων Σο παράρτθμα 1 ςτο SEW 088 παρουςιάηει τθ ςχζςθ για τον υπολογιςμό του χρόνου ψφξθσ, για μία τριςδιάςτατθ διάχυςθ τθσ κερμότθτασ ψφξθσ, δθλ. κατά τθ διάρκεια τθσ ςυγκόλλθςθσ ςε παχιά ελάςματα μετάλλων: Για τθν δυςδιάςτατθ διάχυςθ τθσ κερμότθτασ ςε λεπτότερα ελάςματα ιςχφουν τα ακόλουκα: όπου: /15

104 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ Πίνακας 3. υντομογραφίεσ και όροι που χρθςιμοποιοφνται ςτισ εξιςϊςεισ για τον υπολογιςμό του t 8/5. ε αυτό τον υπολογιςμό το πάχοσ του ελάςματοσ ζχει ιδιαίτερθ επιρροι. Με ιςοδυναμία των δφο εξιςϊςεων και λφνοντασ ωσ προσ το πάχοσ του ελάςματοσ, ζνα πάχοσ μετάβαςθσ du μπορεί να υπολογιςτεί, που αντιπροςωπεφει τθ μετάβαςθ από τθν δυςδιάςτατθ ςτθν τριςδιάςτατθ διάχυςθ κερμότθτασ. Αν το πάχοσ του φφλλου είναι d > du, χρθςιμοποιείται θ ςχζςθ για τον τριςδιάςτατο διαςκορπιςμό κερμότθτασ, αν d < du εφαρμόηεται θ ςχζςθ για το διςδιάςτατο διαςκορπιςμό κερμότθτασ. Εναλλακτικά, ο χρόνοσ ψφξθσ μπορεί να κακοριςτεί από τισ δφο εξιςϊςεισ. Σο μεγαλφτερο από τα δφο αποτελζςματα είναι το ςωςτό /15

105 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ Υπολογιζμόρ ηος Χπόνος Ψύξηρ t 8/5 με ηην σπήζη διαγπαμμάηων Εναλλακτικά ςφμφωνα με τθν οδθγία ο χρόνοσ ψφξθσ μπορεί να υπολογιςτεί με τθν χριςθ διαγραμμάτων ωσ εξισ: Αρχικά υπολογίηεται θ κερμικι παροχι ςφμφωνα με τον τφπο Q = E k όπου k είναι ο ςυντελεςτισ κερμικισ απόδοςθσ (thermal efficiency) που φαίνεται ςτον πίνακα 4. Πίνακας 4. υντελεςτισ k για τον υπολογιςμό του Q. Μετά τον υπολογιςμό του Q και προκειμζνου να αποςαφθνιςτεί το αν οι παροφςεσ ςυνκικεσ είναι ςε δυςδιάςτατο ι τριςδιάςτατο υπολογιςμό κερμότθτασ γίνεται χριςθ του διαγράμματοσ ςτο ςχιμα 7. το ςχιμα 7 υπολογίηεται θ μετάβαςθ από το διςδιάςτατο ςτο τριςδιάςτατο διαςκορπιςμό κερμότθτασ ωσ μία λειτουργία τθσ ειςροισ κερμότθτασ και τθσ κερμοκραςίασ προκζρμανςθσ. Για το γραφικό κακοριςμό του διαςκορπιςμοφ κερμότθτασ θ ειςροι κερμότθτασ πρζπει να γραφτεί κάτω ςτθ τετμθμζνθ και το μεταβατικό πάχοσ ελάςματοσ μπορεί να λθφκεί από τθν τεταγμζνθ. Αν το πάχοσ του υλικοφ είναι μεγαλφτερο από το υπολογιςμζνο πάχοσ τότε ο διαςκορπιςμόσ κερμότθτασ είναι τριςδιάςτατοσ. Π.χ.: ειςροι κερμότθτασ 15 kj/cm ςε 20 C οδθγεί ςε μετάβαςθ του πάχουσ ελάςματοσ περίπου 18 mm /15

106 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ Σχήμα 7. Τπολογιςμόσ του τρόπου διάχυςθσ τθσ κερμότθτασ λαμβάνοντασ υπόψθ το Q, τθν κερμοκραςία προκζρμανςθσ, και το πάχοσ του ελάςματοσ. ε διςδιάςτατο διαςκορπιςμό κερμότθτασ, θ ειςροι κερμότθτασ μπορεί να υπολογιςτεί από Qtwo-dim. = Q F2, ενϊ για ζνα τριςδιάςτατο διαςκορπιςμό κερμότθτασ είναι Qτριςδιαςτ. = Q F3 Οι ςυντελεςτζσ F2 και F3 δίνονται ςτον πίνακα 5. Ο χρόνοσ t 8/5 υπολογίηεται από το διάγραμμα του ςχιματοσ 8 (για χοντρό ζλαςμα) κάνοντασ χριςθ των νζων τιμϊν Q και τθσ κερμοκραςίασ προκζρμανςθσ /15

107 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ Πίνακας 5. Επίδραςθ του τφπου ραφισ ςτο χρόνο ψφξθσ t 8/5. Σχήμα 8. Τπολογιςμόσ του χρόνου ψφξθσ t 8/5 για ςυνκικεσ τριςδιάςτατου διαςκορπιςμοφ κερμότθτασ ωσ μια λειτουργία τθσ ειςροισ κερμότθτασ Q και τθσ κερμοκραςίασ προκζρμανςθσ /15

108 2.5 ΤΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΑΣΑΚΕΤΑΣΙΚΩΝ ΧΑΛΤΒΩΝ ΚΑΣΑ ΣΘΝ ΤΓΚΟΛΛΘΘ 3.2 Καθοπισμόρ τηρ Θεπμοκπασίαρ Πποθέπμανσηρ To SEW 088 δίνει πλθροφορίεσ για τθ κερμοκραςία προκζρμανςθσ που πρζπει να επιλεγεί. Εδϊ, ςυνιςτάται θ προκζρμανςθ ςε κάκε περίπτωςθ, αν θ κερμοκραςία του ςυςτατικοφ είναι χαμθλότερθ από +5 C. ε κερμοκραςίεσ > +5 C, το οριακό πάχοσ του τοιχϊματοσ πάνω από το οποίο απαιτείται προκζρμανςθ ςε ςχζςθ με τθν χθμικι ςφςταςθ του χάλυβα ( ιςοδφναμο άνκρακα CET) δίνεται ςτον πίνακα 6. Πίνακας 6. Οριακό πάχοσ για τθν πραγματοποίθςθ προκζρμανςθσ ςφμφωνα με το SEW 088 (ανάλογα με το ιςοδφναμο άνκρακα CET). Αφοφ διαπιςτωκεί θ απαίτθςθ για τθν πραγματοποίθςθ προκζρμανςθσ, θ τιμι αυτισ δίνεται από πίνακεσ που περιζχονται ςτο παράρτθμα 1 τθσ οδθγίασ όπωσ ο παρακάτω για χάλυβεσ πάχουσ 30 mm (ςχιμα 9). Σχήμα 9. Ελάχιςτεσ τιμζσ τθσ κερμοκραςίασ προκζμρανςθσ Tp εξαρτϊμενεσ από το ιςοδφναμο άνκρακα CET /15