ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ Ν. ΚΟΤΣΑΛΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ. Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά μηχανουργικών υλικών και μεθόδων χύτευσης.

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. : ΤΜΗΜΑ : ΣΧΟΛΗ : ΜΑΘΗΜΑΤΑ : ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΜΑΘΗΜΑΤΩΝ ; ΚΑΒΑΛΑΣ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΕΡΓΑΑΕΙΟΜΗΧΑΝΕΣ - ΜΗΧΑΝΟΥΡΓΙΚΗ Ν. ΚΟΤΣΑΛΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Κατασκευαστικά χαρακτηριστικά μηχανουργικών υλικών και μεθόδων χύτευσης. ΕΙΣΗΓΗΤΗΣ Νικόλαος Κοτσαλάς ΣΠΟΥΔΑΣΤΗΣ : Κων/νος Αθανασιάδης Καβάλα, Δεκέμβριος 2006.

2 Η ΕΠΙΣΤΗΜΗ, Η ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΑΙ Η ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ Οι σημερινές γρήγορες πρόοδοι της τεχνολογίας σε όλες τις φάσεις της κατασκευής είναι το αποτέλεσμα των χωριστών αλλά και των συνδυασμένων προσπαθειών στην επιστήμη, την εφαρμοσμένη μηχανική, και την τεχνολογία. Ο Webster λέει ότι η επιστήμη είναι "ένας κλάδος της μελέτης που ενδιαφέρεται για την παρατήρηση και την ταξινόμηση των γεγονότων, ειδικά με την καθιέρωση... των επαληθεύσιμων νόμων." Η εφαρμοσμένη μηχανική είναι η τέχνη και η επιστήμη από τις οποίες η ιδιοκτησία του θέματος και οι πηγές ισχύος στη φύση γίνονται χρήσιμες στον κεντρικό αγωγό στις δομές, τις μήχανές, και τα κατασκευασμένα προϊόντα." Η τεχνολογία είναι μια "εφαρμοσμένη επιστήμη αντιπαραβαλλόμενη με την καθαρή επιστήμη." Καμία πρόταση καθορισμού για τους όρους, τόσο ευρεία όσο αυτοί θα είναι ικανοποιητικοί. Εντούτοις, ξέρουμε ότι η σύγχρονη εφαρμοσμένη μηχανική απαιτεί μια ολοκλήρωσή και έναν κύριο των γεγονότων (επιστήμη), της χειρονακτικής εμπειρίας (τεχνολογία), και μιας συστηματικής μεθόδου (πειραματισμός και ανάλυση). Δεν μπορεί να υπάρξει καμία αιχμηρή γραμμή διαίρεσης μεταξύ του ενός πεδίου και του άλλου. Κάθε ένα είναι ένα ουσιαστικό στοιχείο μιας ομάδας που απαιτείται στην ανάπτυξη μιας ισχυρής οικονομίας. Στην πρόωρη ανάπτυξη της εφαρμοσμένης μηχανικής, μερικά πράγματα ολοκληρώθηκαν από την εμπειρική προσπέλασή - δοκιμάζοντας πολλούς τρόπους, κάνοντας κάτι έως ότου βρίσκεται ένας που εργάζεται καλύτερα. Αυτό, εντούτοις, δεν είναι ούτε επιστήμη ούτε εφαρμοσμένη μηχανική. Σήμερα και η επιστήμη και η εφαρμοσμένη μηχανική εμφανίζουν μια ισχυρή τάση μακριά από εμπειρία και περιγραφή, αλλά ανάλυση και ποσότητα. Μια οικονομία που βασίζεται στην τεχνολογία δοκιμής και σφάλματος πρέπει απαραιτήτως να προχωρήσει αργά. Η βιομηχανία έχει φθάσει στο σημείο να μειώσει τις επιστροφές όσο η εφαρμοσμένη μηχανική δοκιμής και σφάλματος είναι ενδιαφερόμενη. Οι προκλήσεις παραγωγής των επόμενων 25 ετών-η ανάπτυξη των πραγματικών καινοτομιών που μπορούν να προκαλέσουν τη βιομηχανία για να τρέξει, παρά να συρθεί, προς μια αληθινά σημαντική αύξηση στην παραγωγικότητα και την αποδοτικότητα-πρέπει να είναι μονάδα μέτρησης της θερμότητας που εκλύεται από έναν άνθρωπο μέσω της εφαρμογής της επιστήμης και της υγιούς εφαρμοσμένης μηχανικής, επιτυγχάνοντας κατά συνέπεια την κατασκευή σε μια ευρεία κλίμακα. Πολλοί μηχανικοί ειλικρινά θεωρούν ότι σχεδόν οποιοδήποτε πρόβλημα κατασκευής μπορεί να λυθεί από αυτό που αναφέρεται ως "κοινή αίσθηση." Και όμως, πέρα από ένα ορισμένο σημείο, η κοινή αίσθήσή-που περιλαμβάνει συνήθως τη λήψη μιας πρακτικής, εμπειρικής ματιάς στο πρόβλημα-έχει αυστηρούς περιορισμούς. Παραδείγματος χάριν, το γεγονός ότι όλο το θέμα είναι αποτελούμενο τελικά των ενδοατομικών μορίων προκαλεί την κοινή αίσθηση, ακόμα οι μελέτες εκείνων των μορίων είναι θεμελιώδεις σε μια πραγματική κατανόηση των υλικών εφαρμοσμένης μηχανικής. ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ ΣΤΗΝ ΠΡΟΟΔΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ Υπάρχουν διάφοροι περιορισμοί στήν πρόοδο κατασκευής μέσω της επιστήμης. Ένα από αυτά είναι ο σχετικά μικρός αριθμός μηχανικών που

3 έχουν εφαρμόσει τη γνώση και την ικανότητά τους στο πεδίο κατασκευής. Στο παρελθόν, οι νέοι με τα αναλυτικά ή επιστημονικά μυαλά δεν έχουν προσελκυστεί στους ικανοποιητικούς αριθμούς στον τομέα κατασκευής. Ίσως αυτό είναι επειδή ή κατασκευή έχει κοιταχτεί παραδοσιακά σαν "πρακτική παρά επιστημονική. Ευτυχώς, οι προκλήσεις της σημερινής κατασκευής έχουν προκαλέσει μια αλλαγή σε αυτήν την τοποθέτηση. Ούτε η βιομηχανία η ίδια ούτε τα εκπαιδευτικά ιδρύματα δεν έχουν εμφανίσει μεγάλο ποσό ενδιαφέροντος για την εφαρμοσμένη μηχανική κατασκευής. Αυτός ο τύπος σκέψης δεν έχει περιοριστεί στην επεξεργασία των υλικών. Ένα άριστο παράδειγμα μπορεί να βρεθεί στο πεδίο ηλεκτρονικής. Εκτός από μερική εργασία στην ηλεκτρονική ιδιοκτησία των κενών λαμπτήρων τύπου σωλήνα στα τμήματα φυσικής, η ηλεκτρονική αγνοήθηκε κατά ένα μεγάλο μέρος από τα περισσότερα πανεπιστήμια πριν από τον 2 παγκόσμιο πόλεμο. Πριν από αυτήν την περίοδο, τα βελτιωμένα ηλεκτρονικά κυκλώματα αναπτύχθηκαν, συχνά από τους ρόδιο ερασιτέχνες, ως αποτέλεσμα των πειραμάτων, αλλά λίγες επίσημες προσπάθειες έγιναν να αναπτύξουν τις επιστημονικές θεωρίες στον τομέα της ηλεκτρονικής. Η πρόοδος ήταν αργή. Όταν οι καθηγητές στα κολέγια εφαρμοσμένης μηχανικής άρχισαν να εφαρμόζουν τις μαθηματικές αρχές στη λειτουργία των ηλεκτρονικών κυκλωμάτων, θα μπορούσαν να εξηγήσουν, από την ανάλυση, μερικές από τις "παράξενες" απαντήσεις που παρατηρήθηκαν στο πεδίο. Η ανάλυση παρείχε την κατανόηση, και η κατανόηση έκανε πιθανή την ανάπτυξη αποδοτικότερων κυκλωμάτων, κυκλώματα που θα μπορούσαν να κάνουν εξ ολοκλήρου νέα πράγματα. Οι συχνότητες σε χρήση αυξήθηκαν από μερικά εκατομμύρια κύκλους σε μεγακύκλους, κατά τη διάρκεια του 2 παγκόσμιου πολέμου, συνεπεία των νέων θεωριών που ανατπύχθηκαν στα σχολεία εφαρμοσμένης μηχανικής. Κατά τη διάρκεια του 2 παγκόσμιου πολέμου, οι συχνότητες σε χρήση αυξάνονται σε μεγακύκλους, και αύριο το χάσμα θα κλείσει μεταξύ των σημερινών συχνοτήτων και του ορατού φάσματος. Η επιτυχία σε αυτό το πεδίο έγινε πιθανή επειδή οι εκπαιδευμένοι στο πανεπιστήμιο μελετητές είδαν στα προβλήματα μια πραγματική πρόκληση και μια πιθανότητα να κάνουν μια σημαντική συμβολή στην επιστήμη εφαρμοσμένης μηχανικής. Ένα παρόμοιο ιστορικό σκίτσο θα μπορούσε να δοθεί για τη μεταλλεία και τις επιστήμες πετρελαίου. Σε κάθε περίπτωση, μόλις πείστηκε ο μελετητής ότι τα προβλήματα ήταν μέσα στην επαρχία, η σημαντική και επιταχυνόμενη πρόοδος έγινε. Κάτι παρόμοιο μπορεί να αναμένεται να συμβεί στο πεδίο κατασκευής. Ήταν όταν μετά από τον 2 παγκόσμιο πόλεμο, πανεπιστημιακοί μελετητές γύρισαν την προσοχή τους στην έρευνα κοπής μετάλλου. Η αυξανόμενη ιττποδύναμη και τα βελτιωμένα υλικά τεμνόντων εργαλείων προσέλκυσαν την προσοχή τους. Τα προβλήματα που έγιναν προφανή δεν θα μπορούσαν όλα να λυθούν από την εμπειρική προσπέλαση. Τα περισσότερα επιστημονικά όργανα παρουσιάστηκαν για να στραφούν στις δυνάμεις κοπής μετάλλου και το σχηματισμό τσιπ. Η λείανση, η ένωση, και η διαμόρφωση των διαδικασιών ερευνήθηκαν επίσης από μια επιστημονική άποψη. Τα ευρωπαϊκά πανεπιστήμια ήταν μπροστά από τα αμερικανικά πανεπιστήμια τυπικά να αναγνωρίσουν την ανάγκη για τις σειρές μαθημάτων που αφορούν την τεχνολογία κατασκευής. Όλα τα γερμανικά τεχνικά πανεπιστήμια έχουν τις καρέκλες και τα ιδρύματα για την εφαρμοσμένη μηχανική εργαλειομηχανών και για την εςκιρμοσμένη μηχανική παραγωγής. Μερικά από τα αγγλικά πανεπιστήμια έχουν τις παρόμοιες καρέκλες, αλλά

4 είναι ακόμα σπάνια στα αμερικανικά πανεττιστήμια. Τα ευρωπαϊκά πανεπιστήμια είναι δεσμευμένα στη διδασκαλία και την έρευνα στον τομέα του σχεδίου και της λειτουργίας εργαλειομηχανών. Οι σειρές μαθημάτων διδάσκονται στη θεωρία της κοπής μετάλλων. Αυτές περιλαμβάνουν τη μελέτη της κατασκευασιμότητας των υλικών, της ένδυσης εργαλείων, της λίπανσης, της ψύξης, και των σερβομηχανισμών, Η επιρροή της τριβής και της θερμοκρασίας μελετάται. Ορισμένες πτυχές της στερεάς κατάστασης, καθώς επίσης και η μεταλλογραφία και η κρυσταλλογραφία, των υλικών κομματιών προς κατεργασία, ερευνώνται. Μερικοί εκπαιδευτικοί ισχυρίζονται ότι η εξαιρετικά ευρεία κατάρτιση εφαρμοσμένης μηχανικής, ίσως στη μηχανική εφαρμοσμένη μηχανική, ειδικεύει καλύτερα ένα άτομο για να εισαγάγει το πεδίο κατασκευής. Βεβαίως η ποικιλία των προβλημάτων κατασκευής είναι ευρεία, και μια ευρεία εξοικείωση με τους διάφορους κανόνες εφαρμοσμένης μηχανικής είναι χρήσιμη. Συγχρόνως, πρέπει να αναγνωριστεί ότι η κατασκευαστική μηχανική είναι ένα ιδιαίτερα εξειδικευμένο πεδίο που έχει την ίδια σχέση με μηχανικές επιστήμες, όπως, για παράδειγμα, η ιατρική με τις βιολογικές επιστήμες. Κοιτάζοντας ένα βήμα περαιτέρω, ένας ανεφοδιασμός από πλήρη καταρτισμένα εργαλεία και κατασκευαστικές μηχανικούς, είναι τόσο σημαντικό στη μελλοντική οικονομική υγεία της Αμερικής, όσο ότι ένας ανεφοδιασμός από εκπαιδευμένους παθολόγους είναι στη φυσική υγεία των κατοίκων της. Η ΑΝΑΓΚΗ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΡΕΥΝΑ Τελικά, ο βαθμός καινοτομίας-ή πρόοδος κατασκευής-εξαρτάται από τη βασική επιστημονική έρευνα στον τομέα της κατασκευής. Παραδοσιακά, η σχέση των κατασκευαστικών βιομηχανιών στην επιστήμη είναι κάπως παρασιτική. Αν και η βιομηχανία έχει εφαρμόσει τα συμπεράσματα της επιστήμης, σε οποιοδήποτε μεγάλο βαθμό, δεν έχει υποστηρίξει τη βασική επιστημονική έρευνα που είναι εφαρμόσιμη στην κατασκευή. Ο επιστήμονας έχει συμβάλει σε προχωρήμένο επίπεδο που προωθείται στις στερεάς κατάστασης συσκευές που, στη συνέχεια, επιτρέπουν στο μηχανικό να σχεδιάσει τις συμπαγέστερες μονάδες. Η τεχνολογία υπολογιστών, εντούτοις, είναι μια απόφυση αυτής της εργασίας και χρησιμοποιείται και από τον επιστήμονα και από το μήχανικό. Σήμερα τα νέα πεδία της εφαρμοσμένης μηχανικής και της επιστήμης συμπίπτουν. Ένας από αυτούς τους τομείς, όπως περιγράφεται στο τμήμα συγκόλλησης αυτού του βιβλίου, είναι το πεδίο των πλασμάτων. Αλλος, που περιγράφεται επίσης, είναι αυτός των λέιζερ. Παρά το γεγονός ότι η επιστήμη και η τεχνολογία έχουν επιφέρει τόσες πολλές αλλαγές και τόση πολλή ανάπτυξη της γνώσης, υπάρχει ακόμα η προσδοκία π ω ς οι μεγάλες και σημαντικές ανακαλύψεις θα συνεχίσουν να έρχονται. Μεγάλη επιταχυνόμενη ανάπτυξη έχει παρουσιαστεί από τα διαστημικά προγράμματα. Ολόκληρες νέες βιομηχανίες μπορούν να αποδοθούν στα προϊόντα και την κερδισμένη γνώση "υποπροϊόντος". Αυτό, μαζί με διάφορους άλλους παράγοντες, θα παρέχει την πίεση για τις ακόμα μεγαλύτερες επιστημονικές προόδους στη βιομηχανία.

5 οι ΠΙΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΠΡΟΟΔΟ ΣΤΗΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ Διάφοροι παράγοντες είναι στην προεργασία για την ενθαρρυντική αύξηση της σύγχρονης τεχνολογικής και επιστημονικής επανάστασης. Το πρώτο από αυτά είναι η άνοδος του πληθυσμού (σχέδιο 1.1). Αυτό συνδεδεμένο με την ζήτηση για υψηλότερα πρότυπα διαβίωσης, έχει δημιουργήσει τις τεράστιες αγορές στις οποίες το λειτουργικό κεφάλαιο θα μπορούσε να επενδυθεί. Υπολογίζεται ότι 70 δισεκατομμύρια δολάρια για νέα εργαλεία θα απαιτηθούν ετησίως στα επόμενα 10 έτη. Το ποσοστό αύξησης, και ιδιαίτερα η βελτίωση της παραγωγής, σε συμβιβασμό της εργασίας και της ευκολίας που τα δολάρια επενδύονται, εξαρτώνται από τον τύπο και την κατάρτιση του προσωπικού στις κατασκευαστικές βιομηχανίες. Εάν είναι ενήμεροι για τις τεχνολογικές προόδους που είναι διαθέσιμες και εάν συμβάλλουν σε αυτήν την ανάπτυξη, το ποσοστό αύξησης θα είναι εκρηκτικό. Ένας παράγοντας που έχει εμποδίσει τη βιομηχανική αύξηση στο παρελθόν και μπορεί να εμποδίσει τη μελλοντική πρόοδο κατασκευής είναι η χρονική καθυστέρηση μεταξύ της ανάπτυξης μιας νέας διαδικασίας κατασκευής, της νέας μηχανής, ή του νέου τύπου κατασκευής του εξοπλισμού ή του ελέγχου και της γενικής υιοθέτησής του από τη βιομηχανία. Είναι αμφισβητήσιμο εάν η καθυστέρηση αυτή θα είναι αποδεκτή στη γρήγορα ανατπυσσόμενη οικονομία του μέλλοντος. Με λίγες εξαιρέσεις, οι πρόσφατες σημαντικές ανακαλύψεις στην τεχνολογία κατασκευής, που μπορούν να χρησιμοποιηθούν από τις περισσότερες βιομηχανίες, έχουν γίνει ως αποτέλεσμα της έρευνας που υποστηρίζεται από τις στρατιωτικές υπηρεσίες. Με αριθμητικό έλεγχο (σχέδιο 1.2), ενδεχομένως η προπορευόμενη σημαντική ανακάλυψη των τελευταίων ετών, από την έναρξή της. αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε με κεφάλαια της αεροπορίας. Η εκρηκτική διαμόρφωση και η υπερβολικά υψηλή ταχύτητα που επεξεργάζονται τη μηχανή, δύο άλλες πρόσφατες σημαντικές ανακαλύψεις, είναι πρωταρχικά το αποτέλεσμα της χρηματοδοτούμενης από την αεροπορία έρευνας και ανάπτυξης. Πολύ μεγάλο ποσοστό της έρευνας και της ανάπτυξης συνδέονται με τη λείανση και τη διαμόρφωση των έξοχων κραμάτων και, για αυτό, η ίδια η ανάπτυξη των έξοχων κραμάτων, έχει χρηματοδοτηθεί από την κυβέρνηση. Η στρατιωτική ανάγκη πίσω από αυτήν την εργασία, είναι που ωθεί αυτές τις νέες γρήγορες αναπτύξεις, αλλά είναι εξ ολοκλήρου πιθανό ότι θα είχαν συλληφθεί και θα είχαν τεθεί σε λειτουργία νωρίτερα εάν οι μηχανικοί στις ιδιωτικές βιομηχανίες είχαν γυρίσει την προσοχή τους στη βασική έρευνα και στις εγκαταστάσεις τους και μέσω των σε βιομηχανικό επίπεδο προγραμμάτων. Η στρατιωτικά υποστηριγμένη έρευνα κατασκευής είχε μια επίδραση που πηγαίνει πέρα από την άμεση συμβολή της στην τεχνολογία. Έχει εμφανίσει τι μπορεί να ολοκληρωθεί όταν τίθενται τα ικανοποιητικά κεφάλαια και το επιστημονικό ταλέντο εφαρμοσμένης μηχανικής, για να εργαστούν στα συγκεκριμένα προβλήματα. Είναι αμφισβητήσιμο, εντούτοις, εάν η βιομηχανία μπορεί να προωθήσει κατά μήκος ενός ευρέως μετώπου βάσει των στρατιωτικών παραγόντων έρευνας μόνο. Οι μικρές επιχειρήσεις είναι σε θέση να ωφεληθούν από την έρευνα που εκτελείται από μεγαλύτερες επιχειρήσεις. Μια νέα διαδικασία κατεργασίας που ανατπύσσεται από έναν οικοδόμο εργαλειομηχανών, παραδείγματος χάριν, ή ένας νέος έλεγχος που αναπτύσσεται από έναν κατασκευαστή ελέγχου.

6 μπορεί να εφαρμοστεί από οποιαδήποτε επιχείρηση, μεγάλη ή μικρή. Με σεβασμό στη βασική έρευνα, η μικρότερη επιχείρηση μπορεί να βρίσκεται σε μειονέκτημα. Ακόμα, εκπλήσσει πόσες καινοτομίες στην κατασκευή μπορούν να διενεργηθούν μερικές φορές με ένα ελάχιστο ποσό επένδυσης και εργατικού δυναμικού. Ο βασικός εξοπλισμός για μια εκρηκτικού τύπου έρευνα είναι, τελικά, μόνο μια συγκεκριμένη-ευθυγραμμισμένη δεξαμενή του ύδατος και μια ράβδος δυναμίτη. Το ακατέργαστο υλικό της έρευνας είναι ιδέες. Οι μεγάλες επιχειρήσεις ή οι στρατιωτικοί δεν έχουν κανένα μονοπώλιο στις ιδέες. Η βασική έρευνα, εάν συμφωνεί με το πεδίο κατασκευής ή οποιουσδήποτε άλλους, είναι μια επένδυση στο κατάλληλο προσωπικό. ΟΙ ΣΗΜΕΡΙΝΕΣ ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ Σήμερα, με τη διέλευση του μεγάλου αυτού διαστήματος, η βιομηχανία βρίσκεται αντιμέτωπη με την πρόκληση της ανάτττυξης των νέων υλικών εφαρμοσμένης μηχανικής. Προκειμένου να γίνει αυτό, οι επιστήμονες προσπαθούν έντονα να καταλάβουν τη φύση των υλικών. Μέχρι τώρα, λίγα είναι γνωστά ως προς το πω ς μπορεί ένας μηχανισμός μέσα σε ένα κομμάτι υλικού να παρέχει την ιδιοκτησία της δύναμης. Διάφορες θεωρίες έχουν παρουσιαστεί, και η δοκιμή τους έχει αρχίσει (σχέδιο 1.3). Δεν είναι μόνο η προοτπική της δημιουργίας των νέων υλικών που συναρπάζει τους μηχανικούς, αλλά εξίσου και η πρόκληση της επεξεργασίας αυτών των νέων υλικών. Είναι επιτακτικό για την οικονομία μιας χώρας, να προάγει τα καλύτερα υλικά και τις αποδοτικότερες μεθόδους παραγωγής. Θα είναι απαραίτητο να παραχθούν πιο αξιόπιστα μέρη και η γραμμή συναρμολόγησης σε πιο στενές ανοχές και με χαμηλότερο χρόνο εργασίας ανά τη μονάδα. Αυτό θα είναι απαραίτητο όχι μόνο για να συναντήσει τον εσωτερικό ανταγωνισμό αλλά και να έρθει αντιμέτωπος με τον ανταγωνισμό από άλλες χώρες. ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΤΙΚΟΥ ΔΥΝΑΜΙΚΟΥ Οι ιδιαίτερα αυτοματοποιημένες και μηχανοποιημένες εγκαταστάσεις του μέλλοντος θα απαιτήσουν λιγότερους εργαζομένους παραγωγής ανά μονάδα εξόδου απ ότι οι σημερινές εγκαταστάσεις. Θα υπάρξει μια υψηλότερη αναλογία του προσωπικού οργάνωσης και συντήρησης που θα έχει έναν μεγαλύτερο βαθμό ικανότητας και κατάρτισης από ότι είναι φυσιολογικά η περίπτωση σήμερα. Επίσης, μια ευρύτερη σειρά εξειδικευμένων ικανοτήτωνηλεκτρονική, υδραυλική, ηλεκτρική-θα απαιτηθεί. Με μια σημαντική επένδυση στον αυτοματοποιημένο εξοπλισμό, ο χρόνος διακοπής, θα είναι δαπανηρός, και η έξαρση θα εμφανιστεί στο γεγονός ότι οι μηχανές θα δουλεύουν χωρίς φορτίο και γρήγορα. Θ βιομηχανικός μηχανικός, το άτομο που προγραμματίζει τη γραμμή παραγωγής, θα βρει τις στοιχειώδεις εργασίες του αυξανόμενες στο πεδίο. Η εργασία του θα απαιτήσει έναν υψηλότερο βαθμό γνώσης και ικανότητας. Τα βασικά αντικείμενα της εφαρμοσμένης μηχανικής εργαλείων, του σχεδιασμού εργαλείων, του σχεδιασμού προσαρτημάτων, και τόσα άλλα, θα είναι ακόμα εκεί, αλλά, λαμβάνοντας υπόψη την εκτενή χρήση των αυτοματοποιημένων μηχανών και του αυτοματισμού, μια κάπως ευρύτερη γνώση θα απαιτηθεί. Ένα στερεό ακαδημαϊκό υπόβαθρο, με έμφαση στα μαθηματικά και την επιστήμη κατασκευής, θα είναι υποχρεωτικό. Η συνεχής

7 μελέτη, που συνδέεται με την εμπειρία στο πεδίο, θα είναι επιτακτική να συμβαδίσει με την τεχνολογία. Πολλοί από το τεχνικό προσωπικό που απαιτούνται για να πληρώσουν τις θέσεις κατασκευής, δεν θα είναι διαβαθμισμένοι μηχανικοί, αλλά θα προέλθουν μεταξύ των τπυχιούχων των διετών τεχνολογικών σειρών μαθημάτων. Θα είναι άνθρωποι που έχουν αποκτήσει ένα τεχνικό υπόβαθρο που τους είναι κατάλληλο για την αναβάθμιση. Με το γρήγορο ποσοστό αύξησης της επιστήμης και της τεχνολογίας, η αναβάθμιση του εκπαιδευμένου προσωπικού θα βοηθήσει να γεμίσει την επακόλουθη ζήτηση για τους περισσότερους μηχανικούς και τους τεχνικούς εφαρμοσμένης μηχανικής. Αναμένεται ότι όλο και περισσότεροι κατασκευαστικοί μηχανικοί, που καταβάλλονται από μερικές από τις χρονοβόρες στοιχειώδεις εργασίες από την ενίσχυση των υπολογιστών και των τεχνικών, θα εισαγάγουν την κορυφαία διαχείριση. Αυτοί οι μηχανικοί θα τείνουν να ενθαρρύνουν την τεχνική καινοτομία, μια τοποθέτηση που θα είναι η ισχυρότερη ώθηση στην πραγματική πρόοδο στην εφαρμοσμένη μηχανική. Το οργανωτικό διάγραμμα (σχέδιο 1.4) δείχνει πώ ς η βιομηχανική πορεία και η μηχανική διαδικασία, συμφωνούν στη γενική λειτουργία των εγκαταστάσεων. Σε αυτόν τον τύπο οργάνωσης, όλη η εφαρμοσμένη μηχανική είναι ενδιαφερόμενη για το τελικό προϊόν, αλλά η διαδικασία ή ο κατασκευαστικός μηχανικός συνδέεται πιο στενά με την ιδέα της υλοποίησης. Αυτό το διάγραμμα εμφανίζει λίστα μερικών από τα καθήκοντα που ανατίθενται συνήθως στο μηχανικό διαδικασίας. Τα καθήκοντα ποικίλλουν από επιχείρηση σε επιχείρηση, ανάλογα με το μέγεθος και το πεδίο της λειτουργίας. Ο κατασκευαστικός μηχανικός πρέπει να καθορίσει το εφικτό όχι μόνο των σχεδίων των προϊόντων που η επιχείρηση παράγει, αλλά ακόμη και εκείνα που αγοράζονται από την επιχείρηση. Πρέπει να είναι σε θέση να καθορίσει εάν τα μέρη πρέπει να αγοραστούν ή να κατασκευαστούν. Πολλάκις, οι κατασκευαστές ειδικότητας μπορούν να παράγουν τα μέρη σε μια ποσότητα, μειώνοντας κατά συνέπεια το κόστος. Στην κρίση της δυνατότητας πραγματοποίησης της κατασκευής, πολλά πράγματα λαμβάνονται υπ όψην. Η διαδικασία της κατασκευής, παραδείγματος χάριν, θα μπορούσε να περιλάβει μια επιλογή για ένα δεδομένο μέρος μεταξύ του σφυρηλατημένου κομματιού, της χύτευσης, της κρύας διαμόρφωσης, ή μιας συνήθης εξώθησης και συγκόλλησης. Ο κατασκευαστικός μηχανικός πρέπει να είναι σε θέση να δώσει τις λεπτομερείς πληροφορίες σχετικά με την επιλογή αγοράς των προϊόντων καθώς επίσης και των μηχανών και του εξοπλισμού. Ο κατασκευαστικός μηχανικός πρέπει να είναι σε θέση να εργαστεί μαζί και να συμβουλέψει τους σχεδιαστές προϊόντων. Αυτό απαιτεί στενή συνεργασία, αλλά μπορεί να οδηγήσει σε λιγότερες αλλαγές σχεδίου και γρηγορότερή παραγωγή. Ένας άλλος τομέας ευθύνης είναι αυτός της συνέχισης της χρήσης του προσδιορισμένου εξοπλισμού και της σχεδίασης για μια εργασία, για να καθορίσει εάν χρησιμοποιείται σύμφωνα με το αρχικό σχέδιο. Εάν αυτό δεν γίνεται, είναι πιθανό ότι ούτε η ποσότητα ούτε η ποιότητα των μερών δεν θα είναι όπως προσδοκάται. Πολλά αντικείμενα απαιτούν την ειδική συσκευή σχεδίασης στον τρόπο κατασκευής προτύπων, των προσαρτημάτων, των σχεδίων μήτρας, των προτύπων, των διαμετρημάτων, κλπ... Το εργαλείο και ο κατασκευαστικός μηχανικός πρέπει να είναι σε θέση όχι μόνο να τους σχεδιάσουν, αλλά και να προετοιμάσουν τις εκτιμήσεις κόστους. Αυτή η συνοπτική εισαγωγή στο ρόλο του κατασκευαστικού μηχανικού και των προκλήσεων που ακολουθούν δεν είναι

8 προοριζόμενες να είναι περιεκτικές, μάλλον, είναι προοριζόμενο να δοθεί μια ιδέα της περιοχής της εργασίας που καλύτπεται. Δεδομένου ότι μελετάτε αυτό το βιβλίο, θα δείτε ότι πολλές νέες διαδικασίες κατασκευής εισάγονται συνεχώς. Ο κατασκευαστικός μηχανικός θα είναι σε επιφυλακή για τις μεθόδους που μπορούν να προσαρμοστούν για να βοηθήσουν να συναντήσουν το γενικό στόχο ενός καλύτερου προϊόντος σε ένα χαμηλότερο κόστος. ΟΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Οι ιδιότητες των μετάλλων έχουν μελετηθεί από τότε που ο άνθρωπος ανακάλυψε ότι θα μπορούσε να αλλάξει τη σκληρότητα του χάλυβα από τη θέρμανση του σε ένα φωτεινό κόκκινο, και έπειτα την απόσβεση του στο ύδωρ ή άλλα κατάλληλα μέσα. Αυτό που συνέβη στη δομή μετάλλων ήταν πρώτα η διαμόρφωση της θεωρίας, έπειτα, ως όργανα για τη μελέτη που βελτιώθηκε, τα γεγονότα αντικατέστησαν τη θεωρία. Στις σύγχρονες ημέρες ένας φυσικός εμπιστεύσιμος, είναι ακόμα βαθιά μπλεγμένος στις πολυπλοκότητες του προβλήματος. Μερική εκτίμηση του προβλήματος μπορεί να υπάρξει όταν συνειδητοποιήσουμε ένα αληθές γεγονός που είναι ότι το μέγεθος ενός κεφαλιού καρφίτσας περιέχει κατά προσέγγιση 100 δισεκατομμύρια άτομα. Ευτυχώς, η φύση βοηθάει την επίλυση αυτού του προβλήματος από την παραγωγή της ατομικής δομής ενός δεδομένου στερεού σε ένα καθορισμένο πρότυπο. Έτσι, όταν συγκεντρώνονται τα άτομα, τείνουν να τακτοποιηθούν σε απειροελάχιστους κύβους, πρίσματα, και άλλες συμμετρικές μορφές. Αυτές οι γεωμετρικές μονάδες, που ενώνονται η μια στην άλλη όπως τις τέλεια εγκατεστημένες ομάδες δεδομένων, είναι έμβρυα της μεγαλύτερης δομής που είναι γνωστή ως κρύσταλλα ή κόκκοι. Σε αυτό το κεφάλαιο θα εξετάσουμε αρχικά τη βασική δομή του κρυστάλλου του μετάλλου, κατόπιν, τρόπους κατά τους οποίους η αλλαγή δομής μπορεί να αναπτύξει ορισμένες επιθυμητές ιδιότητες, και τελικά πώ ς αυτές οι ιδιότητες μπορούν να εξεταστούν. Η ΔΟΜΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΥ ΤΟΥ ΜΕΤΑΛΛΟΥ Η δομή μετάλλων καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το περιεχόμενό της, αλλά οι δομικές της λεπτομέρειες ελέγχονται από την ιστορία του. Η ιστορία της δομής του κρυστάλλου ξεκινά όταν το μέταλλο αρχίζει να ψύχεται από την υγρή μορφή. Καθώς το λειωμένο μέταλλο ψύχεται, σταθεροποιείται και η κρυστάλλωση πραγματοποιείται σε δύο στάδια, πρώτα στον σχηματισμό φύτρων και έπειτα στην ανάπτυξη. Η ανάπτυξη του πυρήνα πραγματοποιείται από την προσθήκη των ατόμων, ένα σε έναν χρόνο. Καθώς τα κρύσταλλα αναπτύσσονται ενώνονται με άλλα κρύσταλλα και διαμορφώνουν μια περίπλοκη δομή που μοιάζει με μια ρύθμιση πεύκο-δέντρων. Το διάστημα του πεύκο-δέντρου διακλάδωσης, ή δενδριτικοί βραχίονες (σχέδιο 2.1), εξαρτάται από το πόσο γρήγορα τα κρύσταλλα αναπτύσσονται, το οποίο είναι στη συνέχεια εξαρτώμενο από το πόσο γρήγορα η θερμότητα μεταφέρεται από το μέταλλο. Η ανάπτυξη, συνεχίζεται σε όλες τις κατευθύνσεις μέχρι το κρύσταλλο, ή όπως αναφέρεται συνήθως στα μέταλλα, ο κόκκος, εκτείνεται σε παρέμβαση από άλλους κόκκους. Εάν δύο κόκκοι διαμορφώνονται παραπλεύρως ο καθένας και έχουν την ίδια ατομική ρύθμιση, θα ενωθούν

9 μαζί για να διαμορφώσουν ένα μεγαλύτερο κόκκο. Εντούτοις, εάν η διαμόρφωση εμφανίζεται σε διαφορετικούς άξονες, τα τελευταία άτομα που θα σταθεροποιηθούν, πρέπει να αναλάβουν τις θέσεις συμβιβασμού. Αυτά τα τοποθετημένα σε λάθος μέρος άτομα κάνουν τα όρια του κόκκου. Οι διαταραγμένες περιοχές αυξάνουν την αντίσταση παραμόρφωσης του μετάλλου. Επομένως τα λετπόκοκκα μέταλλα είναι γενικά ισχυρότερα και σκληρότερα από τα χονδρόκοκκα μέταλλα της ίδιας σύνθεσης. Κάθε κόκκος αποτελείται από εκατομμύρια μικροσκοπικών μονάδων κυττάρων φτιαγμένων από άτομα που τακτοποιούνται σε ένα καθορισμένο γεωμετρικό πρότυπο. Κάθε μονάδα κυττάρου μπορεί να λάβει τη μορφή ενός φανταστικού κύβου, με ένα άτομο σε κάθε γωνία και ένα στο κέντρο. Αυτό καλείται μια σώμα-κεντρική κυβική κρυσταλλική δομή κρυστάλλου και είναι η δομή του σιδήρου στις κανονικές θερμοκρασίες (σχ. 2.2α). Εάν, εντούτοις, το κέντρο του κύβου είναι κενό, και ένα ενιαίο άτομο συμπεριλαμβάνεται στο κέντρο κάθε προσώπου, καλείται μια πρόσωπο-κεντροθετημένη κυβική δομή (σχ. 2.2b). Αυτή είναι η δομή του χαλκού, του αργιλίου, και του νικελίου. Είναι επίσης η δομή του σιδήρου στις ανυψωμένες θερμοκρασίες. Όταν το στοιχείο μονάδων παίρνει τη μορφή ενός φανταστικού εξαγωνικού πρίσματος, έχοντας ένα άτομο σε κάθε γωνία, ένα άλλο σε κάθε ένα εκ των κορυφών και κατώτατων σημείων εξάγωνα, και τρία άτομα ισοδιάστατα στο κέντρο του πρίσματος (σχ. 2.2c), αυτό είναι γνωστό ως στενά-συσκευασμένη εξαγωνική δομή. Αυτό είναι η δομή του μαγνησίου, του ψευδάργυρου, και του τιτανίου. Η απόσταση μεταξύ των ατόμων είναι εξαιρετικά μικρή, μερικές φορές μόνο 3 δέκα-χιλιοστόμετρα ενός χιλιοστόμετρου και σπάνια περισσότερα από 5 δέκαχιλιοστόμετρα, όπως καθορίζεται από την των ακτινών X διάθλαση. Αυτά τα πολύ χωρισμένα κατά διαστήματα άτομα έχουν μια τεράστια έλξη το ένα για το άλλο. Αυτή η έλξη αποτελεί την δύναμη που αντιστέκεται σε οποιαδήποτε προσπάθεια να σχιστεί το μέταλλο χώρια. ΟΙ ΑΛΛΑΓΕΣ ΔΟΜΩΝ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΥ ΠΟΥ ΟΦΕΙΛΟΥΜΕ ΝΑ ΤΟΝΙΣΟΥΜΕ Τα μέταλλα στην καθημερινή χρήση υποβάλλονται σε τεράστιες πιέσεις και τάσεις. Όταν το μέταλλο παραμορφώνεται ή αποκότπεται, ορισμένες σειρές των κρυστάλλων γλιστρούν ή ρέουν στις σταθερές κατευθύνσεις και σε ένα ή περισσότερα παράλληλα πλάνα. Γι αυτό, το καθαρό αργίλιο, ο χαλκός, και το νικέλιο, μπορούν εύκολα να ρέουν κάτω από πίεση. Η δυνατότητα των κρυστάλλων που γλιστρούν να διατηρούν τη συνοχή τους καθιστούν αυτά τα μέταλλα εξαιρετικά όλκιμα. Στενά-συσκευασμένες εξαγωνικές δομές (σχ. 2.2c) έχει μόνο το ένα σύνολο πυκνά συσκευασμένων σχεδίων ολίσθησης, αλλά έχουν τρεις κατευθύνσεις της έτοιμης ολίσθησης σε κάθε σχέδιο. Γενικά, οι στενά-συσκευασμένες εξαγωνικές δομές δεν είναι τόσο όλκιμες όσο οι άλλες δύο δομές. ΑΤΕΛΕΙΕΣ ΚΑΙ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΗΣ ΔΟΜΗΣ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΥ Ένα από τα μυστήρια που περιβάλλουν την τεράστια απόκλιση μεταξύ της θεωρητικής και παρατηρηθείσας δύναμής διάτμησης των δομών κρυστάλλου

10 διευκρινίστηκε με την ενίσχυση του μικροσκοπίου ηλεκτρονίων. Εμφανίστηκε ότι οι ατέλειες στη δομή κρυστάλλου, ιδιαίτερα εκείνες που καλούνται εξαρθρώσεις, παρέχουν έναν μηχανισμό από τον οποίο η διάτμηση ολοκληρώνεται στις κρίσιμες τιμές πίεσης που αντιστοιχούν στις παρατηρηθέντες. Αυτές οι ατέλειες είναι πηγές αδυναμίας και ολίσθησης διάτμησης. Η ολίσθηση ως ένας τρόπος παραμόρφωσης είναι βασισμένος στο γεγονός ότι μια συμμετρική μετατόπισή ή μετακίνησή της απόστασης κρυσταλλικής δομής μιας μονάδας είναι περιοδική και επομένως συντηρεί τη δομή κρυστάλλου στα σχέδια που περιέχουν το ελάττωμα και σε έναν βαθμό ανάλογο στην ατέλεια. Οι ατέλειες ποικίλλουν με βάση τις διαστάσεις και καλούνται του τύπου σημείου, του τύπου γραμμών, και του τύπου σχεδίου. Ατέλειες σημείου. Οι ατέλειες σημείου σε μια δομή κρυστάλλου μπορούν να εμφανίζονται, ως ελλείποντα άτομα ή κενότητα, ως πρόσθετα άτομα ή διάμεσοι, ή ως μετατοπισμένα ιόντα ή ατέλειες Frenkel. Στην περίπτωση ενός ελλείποντος ατόμου, ένα κενό υπάρχει στη δομή κρυσταλλικής δομής, όπως φαίνεται στο σχέδιο 2.α. Το κενό μπορεί να είναι το αποτέλεσμα της εμφάνισης της ατελούς συσκευασίας κατά τη διάρκεια της χρονικής κρυστάλλωσης, ή μπορεί να είναι οφειλόμενο στις αυξανόμενες θερμικές δονήσεις των ατόμων που παρουσιάζονται από τις ανυψωμένες θερμοκρασίες. Το μεμονωμένο άτομο μπορεί να πηδήσει από τη θέση χαμηλότερης ενέργειας του. Ένα πρόσθετο ή διάμεσο άτομο μπορεί να γίνει κατοικημένο στη δομή κρυστάλλου (σχέδιο 2.3b) χωρίς τή διαστρέβλωση ή την αλλαγή της μορφής του. Η ατομική διαστρέβλωση μπορεί να οδηγήσει, εντούτοις, εάν το διάμεσο άτομο είναι μεγαλύτερο από το υπόλοιπο των ατόμων στη δομή. Ένα ιόν που μετατοπίζεται από την κρυσταλλική δομή του σε μια διάμεση περιοχή αναφέρεται ως ατέλεια Frenkel (σχέδιο 2.3c). Ένα παράδειγμα της διάμεσης στερεάς λύσης είναι ένα μίγμα σιδήρου και άνθρακα. Το άτομο άνθρακα είναι μικρότερο από το σίδηρο, έτσι δεν εφαρμόζει τέλεια στο μικρό διάστημα του κρυστάλλου του σιδήρου. Κατά συνέπεια, οπουδήποτε ένα άτομο του άνθρακα βρίσκεται, αντιπροσωπεύει έναν βεβιασμένο όρο που στη συνέχεια περιορίζει σοβαρά τη διαλυτότητα του άνθρακα στο σίδηρο. Στις ανυψωμένες θερμοκρασίες, ο σίδηρος έχει μια επίπεδη-κεντροθετημένη κυβική μορφή που, αν και έχει τα περισσότερα άτομα ανά χρονική μονάδα, έχει επίσης τα μεγαλύτερα διάμεσα διαστήματα για τη μέγιστη διαλυτότητα του άνθρακα. Επομένως, πάνω από την ανώτερη κρίσιμη θερμοκρασία, ο χάλυβας αναφέρεται ως στερεά λύση του σιδήρου και του άνθρακα. Ατέλειες γραμμών. Οι ατέλειες γραμμών είναι καλύτερα γνωστές ως εξαρθρώσεις. Υπάρχουν στη δομή κρυστάλλου ως εξαρθρώσεις ακρών, εξαρθρώσεις βιδών, και μικτές εξαρθρώσεις. Η έννοια των εξαρθρώσεων εισήχθη το 1934 από τους Taylor, Orowan, και Polanyi, ο κάθε ένας εργάζεται ανεξάρτητα. Εξαρθρώσεις ακρώ ν. Οι εξαρθρώσεις ακρών αποτελούνται από μια πρόσθετη σειρά ή μια ακμή των ατόμων στη δομή κρυστάλλου (σχέδιο 2.4). Η ατέλεια μπορεί να επεκταθεί σε μια ευθεία γραμμή σε όλο τον δρόμο μέσω του κρυστάμου ή μπορεί να ακολουθήσει ένα ανώμαλο μονοπάτι. Μπορεί επίσης να είναι κοντό, επεκτείνοντας μόνο μια μικρή απόσταση στον κρύσταλλο. Η μετάβαση μιας ενιαίας εξάρθρωσης κατά μήκος μιας ακμής ολίσθησης μέσω ενός κρυστάλλου προκαλεί την ολίσθηση της μιας ατομικής απόστασης κατά μήκος της ακμής ολίσθησης (σχ. 2.5b). Η ολίσθηση της μιας

11 ενεργού ακμής είναι συνήθως της τάξης των 1000 ατομικών αποστάσεων και, απαιτείται για να παραγάγει σημαντική ολίσθηση σε πολλά τέτοια σχέδια. Ελικοειδείς εξαρθρώσεις. Οι ελικοειδείς εξαρθρώσεις μπορούν να παραχθούν από ένα σχίσιμο του κρυστάλλου (σχ. 2.5α) παράλληλο στην κατεύθυνση ολίσθησης. Εάν μια ελικοειδείς εξάρθρωση ακολουθείται σε όλη της τη διαδρομή από ένα πλήρες κύκλωμα θα εμφάνιζε ένα πρότυπο ολίσθησης παρόμοιο με αυτό ενός ελικοειδούς νήματος. Το πρότυπο μπορεί να είναι είτε αριστερού είτε δεξιού δείκτη. Αυτό απαιτεί ότι μερικοί από τους ατομικούς δεσμούς ανασχηματίζονται συνεχώς έτσι ώστε το κρυστάλλωμα έχει σχεδόν την ίδια μορφή, μετά από την αναπαραγωγή, που είχε πριν. Κατά τη διάρκεια της διαστρέβλωσης του κρυστάλλου, υπάρχει σταθερή θερμική αναταραχή μεταξύ των ατόμων. Αυτή η θερμική ενέργεια επιτρέπει στον παρακείμενο δεσμό να σπαστεί ευκολότερα. Ως εκ τούτου η συνέχιση του προτύπου γραμμμών. Μικτές εξαρθρώσεις. Ο προσανατολισμός των εξαρθρώσεων μπορεί να ποικίλει από την καθαρή άκρη στην καθαρή γραμμή. Σε κάποιο ενδιάμεσο σημείο μπορούν να κατέχουν και οι εξαρθρώσεις χαρακτηριστικών ακρών και γραμμών. Η σημασία των εξαρθρώσεων είναι βασισμένη στην ευκολία με την οποία μπορούν να κινηθούν μέσω των κρυστάλλων. Ό πως δηλώνεται στην αρχή αυτής της ενότητας, σχετικά με τις ολισθήσεις κρυσταλλικής δομής του κρυστάλλου, το ποσό δύναμης που απαιτείται για να προκαλέσει την πίεση διάτμησης σε ένα κρύσταλλο είναι πολύ λιγότερο από αυτό που πρέπει να είναι θεωρητικά. Αυτό μπορεί να λογαριαστεί από το γεγονός ότι στις ελικοειδείς εξαρθρώσεις ακρών υπάρχει μια αντιστάθμιση των διατομικών δυνάμεων από κάθε πλευρά του πρόσθετου μισής-ακμής που κάνει για την ισορροπία. Μόνο μια μικρή δύναμη είναι απαιτούμενη για να μετατοπίσει τα άτομα από τη διαμόρφωση ισορροπίας. Ακόμα κι αν η δύναμη είναι μικρή, η μετακίνήσή μιας εξάρθρωσης ακρών είναι εξαρτώμενη από την άφιξη ή τη διασπορά των κενών ή των διάμεσων. Αν και αυτός ο όρος ενισχύεται από την εφαρμογή των πιέσεων, είναι στην ουσία από τη θερμοκρασία ελεγχόμενη. Οι ελικοειδείς εξαρθρώσεις, αντίθετα από τις εξαρθρώσεις ακρών, δεν είναι εξαρτώμενες από ένα πρόσθετο μισής-ακμής που παρεμβάλλεται στην κρυσταλλική δομή. Το αποτέλεσμα είναι ότι η ελικοειδής εξάρθρωση μπορεί να γλιστρήσει σε οποιαδήποτε κατεύθυνση. Πολλές εξαρθρώσεις είναι απαραίτητες προκειμένου να αναπτυχθούν οι μακροσκοπικές πιέσεις. Πειραματικά παρατηρηθέντες είναι της τάξεως των 10 ή 10 τ. εκ. για τα ανοπτημένα μέταλλα της μέσης αγνότητας. Αυξάνονται αρκετά σε περίπου 10^ ή 10^^τ. εκ. όταν τεντώνονται. Ζευγάρωμα. Ένα παραμορφωμένο υλικό μπορεί να πάρει έναν νέο προσανατολισμό αλλά να είναι ακόμα μια εικόνα καθρεφτών των μηπαραμορφωμένων υλικών στον αρχικό του προσανατολισμό (σχ. 2.6). Ως εκ τούτου η ονομασία "δίδυμος. Το σχέδιο στο ΑΑ' είναι η δίδυμη επιφάνεια επαφής. Η διαδικασία της ξανα-συγκόλλησης απαιτείται και για την δεύτερη ολίσθηση και ζευγάρωμα μόνο εκείνων των υλικών που εκθέτουν την καλή κινήτικότήτα δεσμών, δηλαδή διαμορφωμένοι νέοι δεσμοί εύκολα, είναι ευαίσθήτοι στα μεγάλα ποσά πλαστικής παραμόρφωσής πριν από το σπάσιμο.

12 ΕΛΕΓΧΟΣ ΔΟΜΩΝ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΥ Η δομή του κρυστάλλου μπορεί να ελεγχθεί σε έναν περιορισμένο βαθμό από το ποσοστό στο οποίο ψύχεται. Μπορεί επίσης να τροποποιηθεί από τις επεξεργασίες θερμότητας, την πλαστική παραμόρφωση, και την ακτινοβολία. Στην πλαστική παραμόρφωση, μερικές αλλαγές με μορφή των κρυστάλλων γίνονται από τον επαναπροσανατολισμό και τις εξαρθρώσεις. Ό πως φαίνονται στο σχέδιο 2.7, οι σκοτεινές "οδοντωτές γραμμές εμφανίζουν τη μη ευθυγράμμιση των ατόμων ή της εξάρθρωσης που προκαλούνται από την κρύα επεξεργασία του μετάλλου. Καθώς το μέταλλο επεξεργάζεται, αυτές οι εξαρθρώσεις κινούνται μέσω του υλικού, που συγκεντρώνεται σε ορισμένες περιοχές. Οι ευρείες σκοτεινές γραμμές εμφανίζουν τις περιοχές της υψηλής συγκέντρωσης των εξαρθρώσεων. Ο πολυκρυσταλλικός ελατός σίδηρος σε θερμοκρασία δωματίου εμφανίζεται στο σχέδιο 2.8. Η δομή έχει ενταθεί(καταπονηθεί) σε τρία επίπεδα: 5, 9, και 30 τοις εκατό. Η πίεση 5 τοις εκατό (α) δεν εμφανίζει κανένα προφανές πρότυπο στις εξαρθρώσεις. Στη μείωση 9 τοις εκατό (β), ένα πρότυπο υψηλής και χαμηλής πυκνότητας εμφανίζεται ποιο λογαριάζει επίσης για τα μικρά (3 μικρά) εμβρυϊκά στοιχεία που αρχίζουν να διαμορφώνονται. Αυτά τα στοιχεία είναι πολύ μικρότερα από τους ακατέργαστους κόκκους. Στο 30 τοις εκατό (γ), πολύ λίγες εξαρθρώσεις υπάρχουν στη μήτρα, αλλά η μέση πυκνότητα εξάρθρωσης έχει αυξηθεί λόγω της ακραίας συγκέντρωσης τους στα τοιχώματα των στοιχείων. Η διάμετρος των στοιχείων είναι τώρα κάτω από περίπου ένα μικρό. Η μέση πυκνότητα εξάρθρωσης (στο σίδηρο που εξετάζεται στη θερμοκρασία δωματίων) αυξάνεται με την αύξηση της πίεσης. Εντούτοις, αυτή η μέση πυκνότητα είναι ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία παραμόρφωσης όπως φαίνεται στο σχέδιο 2.9. Τόσο οι -95 βαθμοί Fahrenheit όσο και οι 480 βαθμοί Fahrenheit πέφτουν στην καμπύλη. ΑΛΛΑΓΕΣ ΚΑΙ ΕΛΕΓΧΟΙ ΣΤΗ ΔΟΜΗ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ Το σημαντικότερο ενιαίο στοιχείο στο χάλυβα είναι ο άνθρακας. Καθώς ο άνθρακας προστίθεται στο σίδηρο, ο σίδηρος γίνεται χάλυβας, και καθώς ακόμα περισσότερος άνθρακας προστίθεται, γίνεται χυτοσίδηρος. Η επίδραση του άνθρακα, στα ποικίλα ποσοστά, γίνεται κατανοητή καλύτερα με τη μελέτη ενός διαγράμματος ισορροπίας σιδήρου-άνθρακα. Το διάγραμμα ισ ορροπ ίας σιδήρου-άνθρακα. Ένα διάγραμμα ισορροπίας σιδήρου-άνθρακα (σχέδιο 2.10) εμφανίζει και τα ποσοστά άνθρακα και την επίδραση της θερμοκρασίας. Αυτό το διάγραμμα έχει επιλυθεί πολύ προσεκτικά και έχει διαμορφώσει μια βασική μορφή οδηγών για την κατανόηση των κρίσιμων θερμοκρασιών. Παραδείγματος χάριν, η πρώτη μικρή σκιασμένη περιοχή από τη συντεταγμένη αντιπροσωπεύει τον καθαρό σίδηρο. Το διάγραμμα δείχνει έναν σταθερό άλφα σίδηρο (κρυσταλλική δομή BCC) μέχρι τους 1670 F. Κατόπιν αλλάζει απότομα στο σίδηρο γάμμα (κρυσταλλική δομή της FCC) μέχρι τους 2550 F και τελικά στην δέλτα δομή πάνω από τους 2550 F στην τήξη. Αυτές οι ίδιες αλλαγές στη δομή εμφανίζονται κατά την ψύξη κοντά στις ίδιες θερμοκρασίες. Όσο ο χάλυβας ψύχεται από μια αυξανόμενη θερμοκρασία, διάφοροι τύποι κρυστάλλων αρχίζουν να διαμορφώνονται. Μπορούν να είναι φερίτης, σεμεντίτης, περλίτης, ή άλλοι, ανάλογα με το περιεχόμενο άνθρακα του χάλυβα και του

13 ποσοστού ψύξης. Ο φερίτης είναι σχεδόν καθαρός σίδηρος, ο σεμεντίτης είναι το καρβίδιο σιδήρου FeaC (6,68 τοις εκατό άνθρακα και 93,32 τοις εκατό σιδήρου). Ο περλίτης αποτελείται από τα εναλλασσόμενα στρώματα του καρβιδίου σιδήρου και φερίτη (σχέδιο 2.11). Κανονικά, καθώς το μέταλλο ψύχεται αργά από μια θερμοκρασία πάνω από το ανώτερο του κρίσιμου, υπάρχει ένας αυτόματος χωρισμός φερίτη και του μίγματος φερίτη-καρβιδίου. Καθώς το περιεχόμενο άνθρακα αυξάνεται, ενώνεται με τα μεγαλύτερα ποσά φερίτη, προκαλώντας κατά συνέπεια μια αύξηση περλίτη και μια μείωση φερίτη. Στο σημείο της αύξησης όπου όλος ο φερίτης συμφωνεί με το συνδυασμό με τον άνθρακα, η δομή θα είναι εξ ολοκλήρου περλίτης. Θεωρητικά, αυτό είναι σε περίπου 0,80 τοις εκατό άνθρακα πραγματικά, είναι από 0,75 έως 0,85 τοις εκατό στους σαφείς χάλυβες άνθρακα. Αυτό καλείται ευτηκτικό σημείο. Ευτηκτικός, παρμένος από τα ελληνικά, σημαίνει "τα πιο τηκτότα." Ο υπερβολικός άνθρακας ε π ^ ω από 0,80 τοις εκατό, ως στους υπερευτηκτοειδείς χάλυβες, απορρίπτεται από τα κρύσταλλα και τις μορφές ωστενίτη στα όρια της ακμής. Λιγότερο από 0,80 τοις εκατό άνθρακα είναι ένας χάλυβας υποευτυκτοειδής, του οποίου η δομή, εάν ψύχεται αργά, θα ήταν περλίτης με υπερβολικό φερίτη. Ο περλιτικός χάλυβας καθορίζεται γενικά από την άποψη του ευτηκτικού ποσού άνθρακα και του αργού ποσοστού ψύξης. Εντούτοις, εξ αιτίας της ανάμιξης των στοιχείων και της ψύξης των ποσοστών, οι ευρείες παραλλαγές των δομών περλίτη υπάρχουν. Εάν ένα δείγμα του υποευτυκτοειδή χάλυβα, θερμαίνεται ομοιόμορφα, θα βρεθεί ότι σε περίπου 1333 F η θερμοκρασία του χάλυβα θα σταματήσει να αυξάνεται ακόμα κι αν η θερμότητα εφαρμόζεται ακόμα. Μετά από ένα σύντομο διάστημα, η θερμοκρασία θα συνεχίσει να αυξάνεται πάλι. Συνήθως, τα μέταλλα επεκτείνονται καθώς θερμαίνονται, αλλά βρίσκεται ότι στους 1333 F μια μικρή συστολή πραγματοποιείται και έπειτα, μετά από τη μικρή διακοπή, ή επέκταση πραγματοποιείται πάλι. Αυτό δείχνει τη χαμηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία του χάλυβα, που εμφανίζεται στο διάγραμμα σιδήρουάνθρακα ως Αι. Σε αυτό το σημείο, η δομή αλλάζει από BCC σε μια κρυσταλλική δομή FCC, ή από τον άλφα στο σίδηρο γάμμα. Δεδομένου ότι η θέρμανση συνεχίζεται, μια άλλη μικρή διακοπή θα σημειωθεί στο Αζ, στον οποίο χρόνο υπάρχει ένας μετασχηματισμός φερίτη σε ωστενίτη. Αυτό ποικίλλει με το περιεχόμενο άνθρακα όπως φαίνεται στο διάγραμμα, και είναι γνωστό ως ανώτερη κρίσιμη θερμοκρασία. Σε αυτό το σημείο ο άνθρακας πηγαίνει εντελώς στη λύση με το σίδηρο, έτσι ώστε τώρα ομοιόμορφα διανέμεται. Καθώς η θέρμανση συνεχίζεται, δεν υπάρχει καμία περαιτέρω σημαντική αλλαγή εκτός από το ότι οι κόκκοι αυξάνονται μεγαλύτεροι έως ότου επιτυγχάνεται το σημείο τήξης (σχέδιο 2.12). Το τελικό μέγεθος κόκκου ωστενίτη θα εξαρτηθεί από τη θερμοκρασία, πάνω από τον κρίσιμο, στον οποίο ο χάλυβας θερμάνθηκε. Το μέγεθος κόκκου του ωστενίτη έχει μια χαρακτηρισμένη επιρροή και στη συμπεριφορά μετασχηματισμού κατά τη διάρκεια της ψύξης και πάνω στο μέγεθος κόκκου του τελικού προϊόντος χάλυβα. Καθώς το μέγεθος κόκκου είναι τόσο σημαντικό στη συμπεριφορά και την ποιότητα του χάλυβα, είναι απαραίτητο η θερμοκρασία να ελέγχεται προσεκτικά σε σχέση με την As ή την ανώτερη κρίσιμη θερμοκρασία. Αττοκατάσταση μεγέθους κόκκου και δομής κρυστάλλου. Οι κόκκοι των μετάλλων επανακρυσταλλώνουν σε διάφορες θερμοκρασίες ανάλογα με το σε ποσό κρύα επεξεργασία αυτοί έχουν υποβληθεί. Εμφανίζεται στο σχέδιο 2.13 ένα δείγμα που εντάθηκε 16 τοις εκατό στη θερμοκρασία δωματίου και

14 θερμάνθηκε έπειτα σε 1025 F σε διάφορες περιόδους χρόνου. Στην πρώτη εικόνα (α) η παραμόρφωση της δομής των κόκκων είναι αρκετά προφανής. Μετά από θέρμανση για 15 λεπτά σε 1025 βαθμούς F (β). η πυκνότητα εξάρθρωσης γίνεται λιγότερη, και, μετά από 16 ώρες (γ), η αποκατάσταση είναι ουσιαστικά πλήρης με καλά καθορισμένη κοκκώδη επιφάνεια. Αυτή η ίδια διαδικασία εμφανίζεται επίσης σχηματικά στο σχέδιο Στο αριστερό, ο κανονικοποιημένος ή ανοπτημένος χάλυβας παρουσιάζεται μέχρι την θερμική ζώνη διύλισης κόκκου και ψύχεται για να λάβει το λετπό μέγεθος κόκκου. Επίσης εμφανίζεται η αύξηση του κόκκου που πραγματοποιείται όταν ξεπερνιέται η θερμοκρασία διύλισης κόκκου και η επίδραση του χρόνου σε μια ανυψωμένη θερμοκρασία για την αύξηση του κόκκου. Το διάγραμμα στα δεξιά αντιπροσωπεύει τον σκληρηθέντα χάλυβα με μια χαμηλότερη θερμοκρασία αποκρυστάλλωσης. Τα πρόσφατα στοιχεία εμφανίζουν ότι η αποκρυστάλλωση πραγματοποιείται μέσω μιας διαδικασίας συγχώνευσης, ή της συγχώνευσης κόκκων για να διαμορφώσει τους μεγαλύτερους κόκκους. Αυτές είναι οι εξαρθρώσεις που κάνουν τα όρια κόκκων να κινηθούν προς τα τεμνόμενα ή όρια σύνδεσης (σχ. 2.15). Οι περισσότεροι χάλυβες όταν υποβάλλονται σε επεξεργασία, συμπεριλαμβάνονται σε ελασματοποίηση ή σφυρηλάτηση στις υψηλές θερμοκρασίες, το οποίο παραμορφώνει τη δομή του ωστενίτη εντούτοις, η αποκρυστάλλωση εμφανίζεται γρήγορα και ενδεχομένως ίχνη των επιμηκυμένων κόκκων αφήνονται σε θερμοκρασία δωματίου. Ο λετπότερος κόκκος λαμβάνεται από προσεκτικό έλεγχο της αρχικής θερμοκρασίας αποκρυστάλλωσης και μετά από θέρμανση και παραμόρφωση σε χαμηλότερες θερμοκρασίες στις οποίες ο ωστενίτης είναι σταθερός. Ισόθερμα διαγράμματα μετασχηματισμού. Ένα άλλο διάγραμμα που είναι ουσιαστικό στην κατανόηση της επίδρασης της θερμοκρασίας στη δομή του χάλυβα είναι το ισόθερμο (σταθερή θερμοκρασία) διάγραμμα μετασχηματισμού (σχ. 2.16). Αυτό το διάγραμμα αναφέρεται επίσης ως διάγραμμα ΤΤΤ επειδή ο χρόνος (time), η θερμοκρασία (temperature), και ο μετασχηματισμός (transformation) παριστάνονται γραφικά. Μπορεί επίσης να αναφερθεί ως S - ή C - καμπύλες, λόγω των γραμμών περιφέρειας. Όπως μπορεί να φανεί στο διάγραμμα, ο μετασχηματισμός του ωστενίτη περιλαμβάνει μια περίοδο χρόνου ή μια περίοδο επώασης, στις οποίες κανένας μετασχηματισμός δεν πραγματοποιείται. Έτσι έχουμε έναν σχετικά αργό μετασχηματισμό στην αρχή, και πάλι όταν πλησιάζει στην ολοκλήρωση με ένα πολύ γρηγορότερο ποσοστό μεταξύ 25 ως 75 τοις εκατό των μετατροπών ωστενίτη. Η συμπεριφορά που εμφανίζει σε αυτό το διάγραμμα είναι χαρακτηριστική για τους καθαρούς χάλυβες άνθρακα. Η κοντύτερή περίοδος επώασης εμφανίζεται σε περίπου 1000 F με έναν πολύ μακρύτερο χρόνο που απαιτείται καθώς η θερμοκρασία μετασχηματισμού πλησιάζει το Αι, ή τη χαμηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία στην ισορροπία. Ό πως αποδεικνύει το διάγραμμα, η ισόθερμη συμπεριφορά μετασχηματισμού πραγματοποιείται κάτω από τον χαμηλότερο κρίσιμο και επάνω από τη Μβ γραμμή, ή όπου αρχίζει ο μετασχηματισμός στο μαρτενσίτη. Όι δύο βασικές δομές που εμφανίζονται κατά τη διάρκεια αυτής της περιόδου μετασχηματισμού, είναι ο περλίτης, που διαμορφώνεται μεταξύ του Α ι και επάνω από 950 F, και ο μπενίτης, που διαμορφώνεται στις θερμοκρασίες μεταξύ 950 F και Μβ. Καθώς η θερμοκρασία μετασχηματισμού μειώνεται στον περλιτικό μετασχηματισμό, λεπτά στρώματα φερίτη και καρβίδιου γίνονται όλο και περισσότερο μικρά.

15 γνωοπά ως τέλειος περλίτης. Επίσης θα παρατηρήσετε ότι όσο λεπτότερο στρώμα περλίτη τόσο σκληρότερη η δομή που παρουσιάζει από το μικρό διάστημα του σκληρού συστατικού (σεμεντίτης) μέσα στη μαλακή μήτρα του φερίτη. Κάτω από 950 F εμφανίζεται η δομή του μπενίτη, η οποία αποτελείται από βελόνες φερίτη με πετάλια καρβιδίου, προσανατολισμένα παράλληλα με τη μακριά διάσταση των βελόνων. Ό πως με τον περλίτη, στη χαμηλότερη θερμοκρασία, οι βελόνες και τα πετάλια γίνονται λεπτότερα ή μικρότερα, και η σκληρότητα ποικίλλει αναλόγως. ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Η επεξεργασία θερμότητας είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται για να δείξει μια διαδικασία των μετάλλων προκειμένου να ληφθεί η επιθυμητή ιδιότητα. Παραδείγματος χάριν, στους χάλυβες που πρόκειται να χρησιμοποιηθούν για τα εργαλεία τομής, πρέπει να δοθεί ο σωστός συνδυασμός σκληρότητας και ανθεκτικότητας προκειμένου να είναι σε επιτυχή θέση να επεξεργαστούν άλλα μέταλλα στη μηχανή. Η επίδραση της θέρμανσης και της ψύξης του χάλυβα. Ο άνθρακας είναι το σημαντικότερο στοιχείο στον καθορισμό της τελευταίας κατάστασης του χάλυβα μετά από την επεξεργασία θερμότητας. Όταν θερμαίνεται, ο άνθρακας συνδυάζεται χημικά με το σίδηρο, διαμορφώνοντας ένα καρβίδιο σιδήρου που καλείται σεμεντίτης. Ό άνθρακας σε κάθε κομμάτι του χάλυβα είναι υπό μορφή σεμεντίτη, που αναμιγνύεται σε μια μήτρα σιδήρου, που αντιπροσωπεύει μια δομή δύο φάσεων. Ανόπτηση. Ο χάλυβας που έχει διαμορφωθεί, έχει σφυρηλατηθεί, ή έχει επεξεργαστεί στη μηχανή συσσωρεύει αξιόλογη τάση. Η υποβολή σε ανόπτηση της τάσης αποτελείται από τη θέρμανση του μετάλλου σε περίπου 500 F, αφήνοντας μια περίοδο ενυδάτωσης έως ότου να επιτύχουμε μια ομοιόμορφη θερμοκρασία, ακολουθούμενη με ψύξη αέρα. Μια άλλη μέθοδος ανόπτησης είναι γνωστή ως σφαιροειδής ανόπτηση, και χρησιμοποιείται αντί της λειτουργίας που περιγράφεται ανωτέρω. Η σφαιροειδής ανόπτηση χρησιμοποιείται πρώτιστα για να βελτιώσει τις λειτουργίες ψυχρής εργασίας και τη μηχανική ιδιότητα των υψηλού-άνθρακα κραμάτων χάλυβα. Η διαδικασία αποτελείται από τη θέρμανση του μετάλλου σε αρκετά υψηλά (ελαφρώς ανωτέρω ή ελαφρώς κάτω από τη χαμηλότερη κρίσιμη θερμοκρασία) για να επιτρέψει στα στρώματα καρβιδίου σιδήρου να κατσαρώσουν πάνω στις σφαιρικές μορφές. Αυτό επιτρέπει την καλύτερη ολίσθηση των κρυστάλλων σιδήρου με λιγότερη δύναμη που απαιτείται για να διαμορφώσει ή να επεξεργαστεί το μέταλλο στη μηχανή. Μια πλήρης ανόπτηση αποτελείται από το να θερμανθεί το μέταλλο ελαφρώς επάνω από τη γραμμή As (σχέδιο 2.10), το οποίο επιτρέπει στους κόκκους να επανακρυσταλλώνονται. Είναι απορροφημένο σε αυτή τη θέρμανση έως ότου υπάρχει μια ομοιόμορφη θερμοκρασία σε όλο το μέταλλο, και έπειτα ψύχεται σε κλίβανο. Αυτό επιτρέπει στο μέταλλο να χωριστεί σε φεριτική και περλιτική δομή. Η πλήρης διαδικασία ανόπτησης δένει τον κλίβανο για έναν συγκριτικά μακρύ χρόνο. Επομένως, η κυκλική ανόπτηση χρησιμοποιείται συχνά. Η φάση ψύξης γίνεται σε ένα λουτρό από χλωριούχο νάτριο ή έναν ελεγχόμενο κλίβανο σε μια σταθερή θερμοκρασία μέσα στη φεριτική ή περλιτική σειρά έως ότου πραγματοποιηθεί ο πλήρης μετασχηματισμός. Οι χάλυβες που

16 κατεργάζονται από αυτήν την διαδικασία, περιλαμβάνουν τα κράματα του χρώμιο-μολυβδαίνιου μέσα σε μια σειρά άνθρακα 0,12 έως 0,25 τοις εκατό. Ομαλοποίηση. Η ομαλοποίηση είναι μια τροποποιημένη ανότπικη διαδικασία με βασική διαφορά να είναι ότι τα μέρη επιτρέπεται να ψύχονται σε στάσιμο αέρα σε θερμοκρασία δωματίου. Το μέταλλο θερμαίνεται 50 έως 100 F επάνω από τη A3θερμοκρασία, αλλά σε καμία περίπτωση υψηλότερα ή χαμηλότερα για να μην επιτραπεί στους κόκκους να αυξηθούν σε οποιοδήποτε ιδιαίτερο μέγεθος. Τα σφυρηλατημένα κομμάτια που πρόκειται να επεξεργαστούν στη μηχανή, είναι συχνά ομαλοποιημένα για να αποκαταστήσουν τις ομοιόμορφες καταστάσεις κοπής στα προηγούμενα παραμορφωμένα κρύσταλλα. Επιτρέπει επίσης στο μέταλλο να επανακρυσταλλωθεί και να διαμορφώσει μικρότερους κόκκους. Η ομαλοποίηση παράγει ένα σκληρότερο, αλλά λιγότερο ομοιόμορφο τμήμα από μια πλήρη ανότπηση. Τα βαριά τμήματα ψύχονται πιο αργά από τα λετπά τμήματα, και επομένως είναι μαλακότερα και έχουν τη λιγότερη δύναμη. Η ομαλοποίηση γίνεται συχνά μετά από επεξεργασία ή έντονη κατεργασία για να δώσει την ομοιόμορφη δομή κόκκου στη μηχανή. Εάν τα μέρη πρόκειται να σκληρηνθούν, θα υπάρξει λιγότερη πίεση και λιγότερη πιθανότητα ραγίσματος. ΣΚΛΗΡΥΝΣΗ ΚΑΙ ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ Οι δύο όροι της σκλήρυνσης και της σκληρότητας είναι συχνά συγκεχυμένοι. Σκληρότητα αναφέρεται στο βάθος στο οποίο ένα ορισμένο επίπεδο σκληρότητας υπάρχει. Η σκληρότητα είναι σταθερή για ένα δεδομένο υλικό αλλά η σκλήρυνση μπορεί να ποικίλει, γιατί είναι εξαρτώμενη από το ποσοστό ψύξης. Το ποσοστό ψύξης στη συνέχεια καθορίζεται από (α) το ποσό θερμότητας στο μέρος που ψύχεται, (β) την επιφάνεια και τον όγκο του μέρους, (γ) την αποδοτικότητα της μετάδοσης θερμότητας από το αρχικό μέρος μέχρι και το τελευταίο, και (δ) την ψυκτική ικανότητα των μέσων απόσβεσης. Σκλήρυνση. Οι βέλτιστοι συνδυασμοί δύναμης και ανθεκτικότητας μπορούν να αποκτηθούν πρώτα με σκλήρυνση του χάλυβα και έπειτα εμβαπτίζοντας τον. Μαρτενσίτης. Μια πολύ σκληρή συμπλεγμένη βελονοειδής δομή (σχ. 2.17) μπορεί να διαμορφωθεί με την ψύξη του χάλυβα από την ωστενική-μπενιτική θερμοκρασία σε ένα ποσοστό αρκετά γρήγορο ώστε να χάσει το περλιτικό γόνατο και την μπενιτική δομή της συνεχούς ψυχομετρικής καμπύλης για το χάλυβα που περιέχεται (σχ. 2.18). Αυτό σημαίνει συνήθως ότι θα αποσβεσθεί στο νερό ή το πετρέλαιο. Εντούτοις, μερικοί χάλυβες εργαλείων σήμαίνουν ότι θα αποσ^σθεί στο ύδωρ ή το ττετρέλαιο. Εντούτοις, μερικοί χάλυβες εργαλείων γίνονται μαρτενσιτικοί από την απόσβεση τους στον αέρα ενώ άλλοι χάλυβες απαιτούν τέτοια γρήγορη απόσβεση έτσι ώστε να είναι σχεδόν αδύνατο να αποτραπεί κάποιος μετασχηματισμός φερίτη, σε πυκνό περλίτη, ή μπενίτη, ακόμα και στα λετπά τμήματα επειδή το περιεχόμενο κραμάτων είναι ανεπαρκές να διαμορφώσει τα καρβίδια. Η χρονική θερμοκρασία, διάγραμμα μετασχηματισμού (ΤΤΤ) (σχ. 2.19) δείχνει ότι, ακόμη και με εξαιρετικά γρήγορη απόσβεση, μόνο ένα μικρό ποσό μαρτενσίτη θα μπορούσε να διαμορφωθεί. Δοκιμές σκληρότητας. Οι δοκιμές σκληρότητας γίνονται σε δείγματα διαμέτρου μιας ίντσας και 4 ίντσες μακριά του εν λόγω υλικού. Η πιο κοινή

17 μέθοδος είναι αυτή ττου ανακαλύφθηκε από τους Jominy και Boegehold, Το δείγμα πρώτα ομαλοποιείται και έπειτα εξισώνεται επεξεργασμένο σε μηχανή στο ένα τέλος. Μετά που έχει θερμανθεί πάνω από την ανώτερη κρίσιμη θερμοκρασία, η ράβδος υποστηρίζεται σε μια κάθετη θέση Viin. επάνω από ένα ακροφύσιο διαμέτρου Viin. (σχ. 2.20) για το τέλος απόσβεσης για 10 λ., μετά το οποίο αποσβήνεται σε θερμοκρασία δωματίου. Δύο παράλληλα διαμήκη επίπεδα προσαρτώνται στις αντίθετες πλευρές της ράβδου στην οποία οι Rockwell C δοκιμές σκληρότητας γίνονται σε διαστήματα 1/16 ίντσας για μία απόσταση Ά της ίντσας από το αποσβημένο τέλος, διαστήματα 1/8 ίντσας μέχρι 20/16 ίντσας, και έπειτα σε διαστήματα % ίντσας έως ότου πέφτει η σκληρότητα σε λιγότερο από Rc 20 ή ωσότου η απόσταση του 32/16 ίντσας μπορεί να πλησιασθεί. Οι συσχετισμοί μεταξύ της κεντρικής σκληρότητας των 1, 2, 3 και 4 ιντσών επιβάλλονται πέρα από την ισοδύναμη τους τέλοςαπόσβεσης θέση καμπύλών (σχέδιο 2.21). Οι κατασκευαστές χάλυβα εμφανίζουν λίστα από βιομηχανικούς χάλυβες ή χάλυβες δεδομένων ορίων σκληρότητας από τα οποία μπορεί να είναι υπολογισμένες καθορισμένες απαντήσεις στην επεξεργασία θερμότητας. Κατά συνέπεια ο χρήστης μπορεί να καθορίσει ποιο μέσο απόσβεσης θα πρέπει να χρησιμοποιήσει για να λάβει μια δεδομένη σκληρότητα. Ο συσχετισμός μεταξύ της σκληρότητας του χάλυβ(3 όταν αυτός ψύχεται σε λουτρό βαφής από ευτυκτικό χάλυβα και το διάγραμμα ΤΤΤ εμφανίζεται στο σχ. 2,22. Στην κορυφή του διαγράμματος η μετρημένη καμπύλη σκληρότητας υπερτίθεται σε ένα σκίτσο του τέλουςαπόσβεσης της ράβδου. Τέσσερις διαφορετικές θέσεις στη ράβδο, που αντιπροσωπεύονται από το Α, το Β, το C, και το D, εμφανίζουν την επίδραση των διάφορων ποσοστών ψύξης. Το Α, παραδείγματος χάριν, έχει μια υψηλή σκληρότητα, δεδομένου ότι το ποσοστό ψύξης ήταν αρκετά γρήγορο για να χάσει εξ ολοκλήρου την περλιτική θερμική ζώνη ή το "γόνατο" της καμπύλης μετασχηματισμού. Τα σημεία θα είναι μαλακότερα επειδή η καμπύλη ψύξης κόβει την περλιτική θερμική ζώνη. Ο ωστενίτης μετασχηματίζεται εν μέρει σε λετπό περλίτη με μερικό μπενίτη και το υπόλοιπο, δεδομένου ότι συνεχίζει να ψύχεται, θα γίνει μαρτενσίτης. Τα σημεία C και D ψύχονται αρκετά αργά, για να επιτρέψει τον πλήρη μετασχηματισμό σε περλίτη. Ο περλίτης στο D θα είναι πιο χονδροειδές και μαλακότερος από ότι στο C. Το διάγραμμα όπως εμφανίζεται δεν είναι προοριζόμενο για να είναι ιδιαίτερα ακριβές αλλά μάλλον αντιπροσωπεύει μια προσέγγιση της χαρακτηριστικής επεξεργασίας θερμότητας που περιλαμβάνει το μετασχηματισμό όπως εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της συνεχούς ψύξης. Σκλήρυνση. Η σκλήρυνση ολοκληρώνεται είτε σε έναν κλίβανο, από λειωμένο μόλυβδο πετρελαίου, είτε λειωμένα άλατα. Η συνηθισμένη θερμοκρασία κυμαίνεται από 300 ως 1200 F, ανάλογα με τον τύπο του χάλυβα και τη σκληρότητα που απαιτείται. Για τους περισσότερους χάλυβες η ταχύτητα της ψύξης μετά από σκλήρυνση να είναι μικρής επίδρασης. Στην πράξη, η ψύξη μετά από σκλήρυνση γίνεται στον αέρα. Μερικοί χάλυβες υψηλού-κράματος είναι διπλής σκλήρυνσης για να εξασφαλίσουν σταθερές δομές. Κατά τη διάρκεια της πρώτης σκλήρυνσης, ο νέος μαρτενσίτης διαμορφώνεται από μερικό από το διατηρημένο ωστενίτη. Η λειτουργία δεύτερης σκλήρυνσης, μετριάζουν τον πρόσφατα διαμορφωμένο μαρτενσίτη. Παραμόρφωση της σκληρότητας. Γ ια να ελαχιστοποιήσει την πίεση και τη διαστρέβλωση στην απόσβεση, μια μικρή διακοπή στην ψύξη μπορεί να γίνει εξωτερικά και εσωτερικά στο μέρος που εξισώνει στη θερμοκρασία (σχέδιο

18 2.23). Ένα λουτρό άλατος χρησιμοποιείται συνήθως ως ενδιάμεσο μέσο απόσβεσης για την εξίσωση θερμοκρασίας. Εάν ο χρόνος εξίσωσης είναι μακροχρόνιος, μπορεί να είναι πιθανό να αποφύγει τον σχηματισμό του μπενίτη. Περιπτώ σεις σκλήρυνσης. Προκειμένου να σκληρυνθούν οι χαμηλοί σε άνθρακα ή ήπιοι χάλυβες, είναι απαραίτητο να προστεθεί ο άνθρακας στην εξωτερική επιφάνεια και να σκληρήνει ένα λεπτό εξωτερικό περίβλημα. Η διαδικασία περιλαμβάνει δύο χωριστές διαδικασίες. Η πρώτη είναι μια διαδικασία ανθρακοποίησης, όπου ο άνθρακας προστίθεται στην εξωτερική επιδερμίδα, και η δεύτερη είναι στην θέρμανση των ανθρακιασμένων μερών, έτσι ώστε η εξωτερική επιφάνεια να γίνει πιο σκληρή. Το εσωτερικό του μέρους, ή ο πυρήνας, δεν αλλάζει υλικά στη δομή. Ο όρος "σκλήρυνση περιβλήματος" περιλαμβάνει ολόκληρη την διαδικασία ανθρακοποίησης και σκλήρυνσης. Ανθρακοποίηση. Η διαδικασία ανθρακοποίησης αποτελείται από τη θέρμανση του χαμηλού σε ποσοστά άνθρακα, χάλυβα, σε επαφή με μια ανθρακούχο ένωση σε μια θερμοκρασία που μπορεί να ποικίλει από 1650 έως 1700 F. Αυτή η θερμοκρασία χρησιμοποιείται επειδή, σε αυτήν την θερμότητα, ο χάλυβας είναι ωστενιτικός και απορροφά τον άνθρακα εύκολα. Το μήκος του χρόνου που το υλικό κρατιέται σε επαφή με τα ανθρακούχα υλικά εξαρτάται από το βαθμό της ανθρακοποίησης που είναι επιθυμητός. Ο άνθρακας από το υλικό ανθρακοποίησης απορροφάται από το χάλυβα, και η χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα επιφάνεια μετατρέπεται σε έναν υψηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα, χάλυβα. Το αποτέλεσμα είναι ένα κομμάτι του χάλυβα με έναν χαμηλής περιεκτικότητας σε άνθρακα πυρήνα και μια υψηλή σε άνθρακα επιφάνεια. Αφότου αποσβήνεται το υλικό, η εξωτερική επιφάνεια θα είναι σκληρή,ενώ ο εσωτερικός πυρήνας παραμένει μαλακός. Αυτό δίνει μια ιδανική δομή για πολλές εφαρμογές. Πολλοί διαφορετικοί ανθρακοποιητές μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Αυτοί περιλαμβάνουν τον ξυλάνθρακα, το ζωικό ξυλάνθρακα, το κάρβουνο, τα φασόλια, τα καρύδια, το κόκαλο, το δέρμα, ή τους συνδυασμούς αυτών των υλικών. Το πάχος των περιβλημάτων μπορεί να είναι από 0,002 έως 0,050 ίντσες, ανάλογα με το μήκος του χρόνου κατά τον οποίο ο χάλυβας θερμάνθηκε, ενώ ήταν σε επαφή με άνθρακα. Σκλήρυνση με κυανιούχα άλατα. Το υδροκυάνιο μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για σκλήρυνση περιβλήματος του χάλυβα. Χρησιμοποιείται για να δώσει ένα πολύ λεπτό αλλά σκληρό εξωτερικό περίβλημα. Το κυανίδιο του νατρίου ή το κυανίδιο του καλίου μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως σκληρυντικά μέσα. Το κυανίδιο θερμαίνεται έως ότου γίνεται υγρό. Όταν ο χάλυβας τοποθετείται στο λουτρό κυανιδίου, και άνθρακας και άζωτο προστίθενται στην εξωτερική επιφάνεια, με συνέπεια να εμφανίζεται μια επιφάνεια σκληρότερη από αυτή που παράγεται από τη διαδικασία ανθρακοποίησης. Εναζώτωση. Η εναζώτωση είναι μια διαδικασία σκλήρυνσης περιβλήματος στην οποία το άζωτο, αντί του άνθρακα, προστίθεται στο τοίχωμα του χάλυβα. Αυτό χρησιμοποιείται συνήθως μόνο σε ορισμένα κράματα που είναι ευαίσθητα στο σχηματισμό των χημικών νιτριδίων. Αυτό διαμορφώνει ένα πολύ σκληρό περίβλημα, το οποίο έχει ένα μικρό ποσό παραμόρφωσης, όπως η ολόκληρη διαδικασία πραγματοποιείται σε μια σχετικά χαμηλή θερμοκρασία (950 βαθμοί F). Κανένα ξελέπισμα δεν εμφανίζεται, δεδομένου ότι ο χάλυβας δεν εκτίθεται στον αέρα στις ανυψωμένες θερμοκρασίες, και

19 έτσι τα κομμάτια μπορούν να τελειώσουν στο μέγεθος πριν από την επεξεργασία θερμότητας. Το αέριο αμμωνίας χρησιμοποιείται ως αζωτούχο υλικό. Το περίβλημα που παράγεται είναι πολύ λετπά, από (0,001 έως 0,005 ίντσες παχύ). Σκλήρυνση επιφ άνειας των μέσων και υψηλών σε περιεκτικότητα άνθρακα χαλύβων. Η σκλήρυνση με φλόγα και με επαγωγή εκτελούνται σε χάλυβες άνθρακα που περιέχουν 0,35 τοις εκατό άνθρακα ή περισσότερο. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται επίσης στους χυτούς και ελατούς σιδήρους που έχουν την κατάλληλη σύνθεση. Σκλήρυνση με φλόγα. Η σκλήρυνση με φλόγα αποτελείται από την κίνηση μιας οξυακετυλινικής φλόγας πάνω στο τεμάχιο, ακολουθούμενη από έναν αποσβήνοντα ψεκασμό. Το ποσοστό στο οποίο η φλόγα ή ο καυστήρας κινείται κατά την εργασία θα καθορίσει το βάθος της σκληρότητας για ένα δεδομένο υλικό. Οι καυστήρες μπορούν να ληφθούν για διαφορετικά περιγράμματα, όπως φαίνεται στο σχέδιο Η απόσβεση, μπορεί να δομηθεί στην κεφαλή του καυστήρα ή να γίνει ως ξεχωριστή λειτουργία μετά από θέρμανση με φλόγες. Οι διάφοροι τύποι καυστήρων ποικίλλουν από την πρότυπη άκρη συγκόλλησης, στους επίπεδους, τους περιμετρικούς και τους καυστήρες δακτυλίου. Στη σκλήρυνση με φλόγα δεν υπάρχει καμία αιχμηρή γραμμή οροθεσίας μεταξύ της ζώνης σκληρυνόμενης επιφάνειας και του πυρήνα, έτσι υπάρχει μικρή πιθανότητα ότι θα πελεκήσει ή θα σπάσει κατά τη διάρκεια της εργασίας. Η φλόγα κρατιέται σε μια λογική απόσταση από τις αιχμηρές γωνίες για να αποτρέψει την υπερθέρμανση, και τα διάτρητα μέρη ή οι οπές εκροής, προστατεύονται κανονικά με την πλήρωση τους με υγρό αμίαντο ή ανθρακούχο υλικό. Μερικά πλεονεκτήματα της σκλήρυνσης με φλόγα είναι: 1) Τα μεγάλα επεξεργασμένα στη μηχανή μέρη μπορούν να σκληρυνθούν στην επιφάνεια πιο οικονομικά. 2) Οι επιφάνειες μπορούν, επιλεκτικά να σκληρυνθούν με την ελάχιστη παραμόρφωση και με ελευθέρια από ράγισμα απόσβεσης. 3) Η φολίδωση είναι επιφανειακή, λόγω του σχετικά κοντού κύκλου θέρμανσης. 4) Ο ηλεκτρονικά ελεγχόμενος εξοπλισμός παρέχει τον ακριβή έλεγχο της κάθε περίτπωσης. Τα μειονεκτήματα περιλαμβάνουν; 1) Για να αποκτήσει τα βέλτιστα αποτελέσματα, μια τεχνική πρέπει να καθιερωθεί για κάθε σχέδιο. 2) Η υπερθέρμανση μπορεί να προκαλέσει ράγισμα ή όπου λεπτά τμήματα περιλαμβάνονται, υπερβολική διαστρέβλωση. Σκλήρυνση με επαγω γή. Η μέθοδος της σκλήρυνσης με επαγωγή, γίνεται με την τοποθέτηση του κομματιού σε ένα υψηλής συχνότητας εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Η θερμότητα παράγεται από τις γρήγορες αντιστροφές της πολικότητας. Το αρχικό ρεύμα φέρεται από τον υδρόψυκτο σωλήνα χαλκού και προκαλείται στα στρώματα επιφάνειας του κομματιού εργασίας. Οι συνηθέστερα χρησιμοποιημένες πηγές ρεύματος υψηλής συχνότητας είναι: 1) Γεννήτριες κινητήρα με συχνότητες από έως κύκλων ανά sec και απόδοση kw. 2) Ταλαντωτές διάκενου σπινθήρα με συχνότητες από έως κύκλων ανά sec και δυναμικό μονάδας σε 25 kw. 3) Ταλαντωτές λυχνίας κενού, που λειτουργούν σε κύκλους ανά sec με δυναμικό μονάδας εξόδου από 20 ως 50 kw. Το βάθος της διείσδυσης της ηλεκτρικής ενέργειας μειώνεται καθώς αυξάνεται η συχνότητα' παραδείγματος χάριν, η κατά προσέγγιση ελάχιστη σκληρότητα για κύκλους ανά sec είναι 0,060 in. και για κύκλους ανά sec είναι 0,020 in. Για αυτόν τον

20 λόγο, τα με λετπούς τοίχους τμήματα στταιτούν υψηλές συχνότητες, και τα παχύτερα τμήματα πρέπει να έχουν χαμηλές συχνότητες για επαρκή διείσδυση. Μερικά πλεονεκτήματα της μεθόδου σκλήρυνσης με επαγωγή είναι: 1) Η λειτουργία είναι γρήγορη, τα συγκριτικά μεγάλα μέρη μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία σε έναν ελάχιστο χρόνο στις αυτόματες μηχανές. Οι μεγάλοι στροφαλοφόροι άξονες φορτηγών μπορούν να έρθουν στην κατάλληλη θερμότητα και να γίνει ψεκασμός, ώστε να αποσβεστούν σε 5 sec. 2) Μπορεί εύκολα να εφαρμοστεί και στις εξωτερικές και στις εσωτερικές επιφάνειες. 3) Ένα ελάχιστο της διαστρέβλωσης ή της οξείδωσης αντιμετωπίζεται λόγω του μικρού χρόνου κύκλων. ΕΞΕΤΑΖΟΝΤΑΣ ΤΙΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ Η γνώση για τη δομή του κρυστάλλου είναι για μας λιγότερου ενδιαφέροντος στην τεχνολογία εκτός αν μας βοηθά να καθορίσουμε και να ελέγξουμε τις κρυστάλλινες ιδιότητες και να επιτύχουμε τα βέλτιστα αποτελέσματα. Πολλάκις οδηγούμαστε στις συγκρουόμενες περιοχές, εξαιτίας του ότι θέλουμε και τη δύναμη και την ολκιμότητα. Αλλά οτιδήποτε γίνεται για να αυξήσουμε τη δύναμη, μειώνει την ολκιμότητα και αντίστροφα. ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΥ Τι είναι δύναμη εφελκυσμού; Απλά, είναι ένα μέτρο της μέγιστης δύναμης που ένα υλικό θα αντέξει χωρίς αυτό να χωριστεί. Πιο πρακτικά για τους σκοπούς σχεδίασης, είναι η μέγιστη δύναμη που ένα υλικό θα στηρίξει χωρίς να υποχωρήσει ή χωρίς να υποβληθεί στην πλαστική παραμόρφωση, σε περισσότερο από συμβολικά δεκτά πρότυπα. Αυτή η δύναμη εφελκυσμού μετριέται συνήθως με τη βοήθεια μιας εκτατής μηχανής δοκιμής στην οποία ένα δείγμα (σχέδιο 2.25) τοποθετείται και ένα φορτίο εφαρμόζεται σε ένα σταθερό βαθμό. Το ποσό επιμήκυνσης του δείγματος μετριέται ακριβώς με μηκηνσιόμετρο. Η πίεση εφαρμοσμένης μηχανικής (1 bain.^) λαμβάνεται με τη διαίρεση του συνολικού φορτίου από το αρχικό διαγώνιο τμήμα του δείγματος δοκιμής. Η πίεση είναι η συνολική επιμήκυνση που καταγράφεται από το μηκηνσιόμετρο διαιρούμενη με το μήκος διαμετρημάτων (ίη./ίη.). Αυτές οι σχέσεις μπορούν να εκφραστούν όπως: πίεση = S = και τάση = η = ^ Λ) * ^0 όπου L = φορτίο ή δύναμη σε λίβρες Αο = αρχική περιοχή διατομής σε ίη.^ ' If = τελικό μήκος και ίο = αρχικό μήκος. Παραδείγματος χάριν, ένα δείγμα δοκιμής χάλυβα με μια διάμετρο 0,505 in. τεντώνεται έτσι ώστε τα σημάδια διαμετρήματος-μήκους δύο-ιντσών είναι in. χώρια. Το φορτίο που καταγράφεται είναι λίβρες, υπολογίζει την πίεση και την τάση. 20,000 Μ I f -Ιο S = = \00,000psi= n = = ^ ^ (λ /4)(0.505)' / / ,.