1 Υλικά Γενικές πληροφορίες 11 Σκοπός της Επιστήμης Υλικών Χρειαζόμαστε τη γνώση των υλικών για τους σκοπούς: α) Να μπορούμε να διαλέξουμε το κατάλληλο υλικό για κάθε εφαρμογή β) Να γνωρίζουμε ποιος είναι ο σωστός τρόπος κατεργασίας του υλικού (ιδίως ο σωστός τρόπος συγκόλλησης, μεταλλουργικής βαφής, χύτευσης κτλ) γ) Να εκτελούμε ελέγχους υλικών δ) Να βγάλουμε συμπέρασμα για τις ιδιότητες του υλικού, και να χρησιμοποιήσουμε τις τιμές σε υπολογισμούς 12 Είδη υλικών α) Εξετάζονται τα υλικά με ιδιότητες που ενδιαφέρουν στη Μηχανολογία: μηχανική αντοχή, αντοχή σε διάβρωση, αντοχή σε υψηλή θερμοκρασία, αντιτριβική συμπεριφορά Άλλες ιδιότητες, όπως οι ηλεκτρικές, μαγνητικές και οπτικές, κατ' αρχήν δεν ενδιαφέρουν β) Γενικές κατηγορίες υλικών: - Μεταλλικά υλικά - Κεραμικά (πχ τσιμέντο) - Οργανικές ενώσεις (πχ ξύλο, πλαστικά) - Σύγχρονα, εξελιγμένα υλικά (πχ υλικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα ή ίνες αλουμίνας) γ) Όροι (=τυποποιημένες ονομασίες) - Κράμα = μίγμα μετάλλου με άλλο στοιχείο (μέταλλο ή αμέταλλο) Παραδείγματα: Χάλυβας (μίγμα Fe C, δηλ μετάλλου με αμέταλλο) Ορείχαλκος (μίγμα Cu Zn, δηλ μετάλλου με μέταλλο) - Ελαστική παραμόρφωση: Αυτή που δημιουργείται από κάποια δύναμη, και αναιρείται όταν η τιμή της δύναμης σταδιακά μειωθεί και μηδενιστεί Οφείλεται σε αλλαγή της απόστασης από άτομο σε άτομο - Πλαστική παραμόρφωση: Αυτή που δημιουργείται από κάποια δύναμη, και δεν αναιρείται όταν η τιμή της δύναμης σταδιακά μειωθεί και μηδενιστεί Οφείλεται σε ολίσθηση της κάθε σειράς ατόμων πάνω στη γειτονική της - Βαφή (ή αλλοιώς μεταλλουργική βαφή ): Εμβάπτιση ενός μεταλλικού τεμαχίου υψηλής θερμοκρασίας σε ψυκτικό υγρό, ώστε να κρυώσει πολύ γρήγορα Στους χάλυβες προκαλεί αύξηση της σκληρότητας Το ψυκτικό υγρό είναι συνήθως νερό, αλλά σε μερικούς χάλυβες μπορεί να είναι και λάδι δ) Όλκιμα και ψαθυρά, θραύση - Τα μεταλλικά υλικά είναι όλκιμα, ενώ τα κεραμικά είναι ψαθυρά - Όλκιμο λέγεται ένα υλικό όταν παθαίνει πλαστική παραμόρφωση πριν σπάσει - Ψαθυρό λέγεται ένα υλικό που σπάζει χωρίς προηγούμενη πλαστική παραμόρφωση - Η θραύση οφείλεται σε δημιουργία και επέκταση ρωγμής στο εσωτερικό του υλικού - Τα όλκιμα υλικά δεν είναι ευαίσθητα σε ρωγμές, επειδή η πλαστική παραμόρφωση αναχαιτίζει (=φρενάρει) την επέκταση των ρωγμών Τα ψαθυρά υλικά, αντίθετα, είναι ευαίσθητα σε ρωγμές, αφού δεν είναι διαθέσιμη η πλαστική παραμόρφωση ώστε να εμποδίσει την επέκταση των ρωγμών - Στις περισσότερες εφαρμογές απαιτείται να μπορεί το σώμα να πάθει πλαστική παραμόρ-
φωση, επειδή μέσω αυτής το σώμα ΑΠΟΡΡΟΦΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑ πριν σπάσει - Το ότι τα ψαθυρά είναι ευαίσθητα σε κρούσεις, το ότι δεν απορροφούν σχεδόν καθόλου ενέργεια πριν σπάσουν, τα κάνει να είναι εύθραυστα, ιδίως όταν δέχονται κρούση, άρα πρέπει να τα χειριζόμαστε με προσοχή - Ο εφελκυσμός συντελεί στη διάνοιξη των ρωγμών Αντίθετα η θλίψη κλείνει τις ρωγμές (Το θλιβόμενο σώμα, αν είναι ψαθυρό, θα σπάσει από επέκταση των ρωγμών σε λοξές κατευθύνσεις, όπου ασκείται διάτμηση, και κάτω από πολύ μεγαλύτερη φόρτιση απ' ό,τι αν είχε εφελκυσμό) Έτσι, τα ψαθυρά υλικά αντέχουν σε θλίψη 4 φορές περισσότερο απ' ό,τι σε εφελκυσμό Τα όλκιμα υλικά, αφού δεν είναι ευαίσθητα σε ρωγμές, αντέχουν το ίδιο στον εφελκυσμό και στη θλίψη SOS ε) Η κατάσταση ενός μεταλλικού υλικού εξαρτάται από: - τη χημική σύσταση - τη θερμική του ιστορία (θερμάνσεις-ψύξεις που προηγήθηκαν, από τη στερεοποίηση του υλικού μέχρι τώρα) - την ιστορία της πλαστικής του παραμόρφωσης (από τη στερεοποίηση, ή (με επιφύλαξη) από την τελευταία ανόπτηση μέχρι τώρα) στ) Ταξινόμηση υλικών με βάση την πλαστική παραμόρφωση:: - χυτά μεταλλικά αντικείμενα - μακρά προϊόντα έλασης (ράβδοι, δοκάρια) - πλατιά προϊόντα έλασης (φύλλα, πλάκες) Παρατηρώντας το σχήμα του αντικειμένου μπορούμε να καταλάβουμε αν είναι χυτό ή προϊόν έλασης, άρα και το αν έχει πλαστική παραμόρφωση ζ) Ταξινόμηση υλικών με βάση τη χημική σύσταση: - Σιδηρούχα υλικά (μεγάλο βάρος: πυκνότητα ρ=7,8 g/cm³) -- Χάλυβες -- Συγκολλήσιμοι, μαλακοί (κοινώς σίδερα ): περιεκτικότητα σε άνθρακα (συμβολίζεται με π(c)) έως 0,25% -- Μή συγκολλήσιμοι (ακριβέστερα δυσκολοσυγκόλλητοι) με μέτρια ή μεγάλη σκληρότητα (κοινώς ατσάλια ): π(c) > 0,25% (Όλοι οι χάλυβες είναι προϊόντα έλασης) -- Χυτοχάλυβες Χημική σύσταση όπως αυτή των χαλύβων, αλλά τους δίδεται σχήμα με τη χύτευση -- Χυτοσίδηροι π(c) 2,0% από τον τρόπο παραγωγής του μετάλλου και για εύκολη χύτευση Οι συνηθέστεροι χυτοσίδηροι είναι ψαθυροί - Ανοξείδωτος χάλυβας - (Χαλκός), κράματα χαλκού (*) - (Αλουμίνιο), κράματα αλουμινίου (*) (Μικρό βάρος (ρ=2,7 g/cm³), αλλά σημείο τήξης μόνο 650 C) - Άλλα αντιτριβικά κράματα - Τιτάνιο (Μεσαίο βάρος: ρ 4 g/cm³, αλλά σημείο τήξης περίπου 1500 C) - Νικέλιο (Όταν χρησιμοποιείται ως κύριο συστατικό, αξιοποιείται κυρίως η αντοχή του σε διάβρωση Αλλοιώς, χρησιμοποιείται περισσότερο ως πρόσμιξη)
(*) Ο καθαρός χαλκός και το καθαρό αλουμίνιο χρησιμοποιούνται για τη μεγάλη ηλεκτρική τους αγωγιμότητα η) Πρακτική αναγνώριση υλικών: - Σίδηρος, χάλυβας: (Είναι το πιο συνηθισμένο μεταλλικό υλικό, άρα σε αυτό πρώτα πρέπει να πάει το μυαλό μας) -- Από το χρώμα (γκρι μεταλλικό Αν οι πλευρικές επιφάνειες έχουν χρώμα μαύρο, αυτό οφείλεται σε καμμένα λάδια από θερμή έλαση) -- Από το χρώμα της σκουριάς του -- Από το βαρος -- Από το μαγνητισμό του -- Και από άλλα κριτήρια Η σκληρότητα του υλικού και άλλα χαρακτηριστικά μπορούν να αναγνωρισθούν από τη χρήση του αντικειμένου - Ανοξείδωτος χάλυβας: -- Από το χρώμα, από το βάρος, από το ότι σε ψηλάφιση φαίνεται πιο ζεστός - Χαλκός: -- Από το χρώμα (κόκκινος κεραμιδί) -- Από το χρώμα της σκουριάς του (πράσινο) - Κράματα χαλκού: -- Από το χρώμα (κίτρινο) (Όταν το αντικείμενο δεν είναι κόσμημα, τότε το υλικό του προφανώς δεν είναι χρυσός) - Αλουμίνιο: -- Από το βάρος -- Από το χρώμα -- Και από άλλα κριτήρια
2 Σκληρομέτρηση 21 Κλίμακες σκληρότητας Έχουν καθιερωθεί διάφορες κλίμακες σκληρότητας, που χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: - Σκληρότητα χάραξης (όπως πχ στην κλίμακα Mohs, στην οποία εξετάζεται ποιο υλικό χαράζει ποιο) - Σκληρότητα αποτυπώματος (κλίμακες Brinell, Vickers, Rockwell κ ά) - Σκληρότητα αναπήδησης (κλίμακες Shore) Καταλληλότερες για μεταλλικά υλικά είναι οι κλίμακες που μετρούν με τη μέθοδο του αποτυπώματος, και αυτές θα εξετασθούν στη συνέχεια 22 Κλίμακα Brinell Είναι η παλιότερη από τις κλίμακες αποτυπώματος Η σκληρομέτρηση κατά Brinell εκτελείται ως εξής: Μία σφαίρα από χάλυβα ή από καρβίδιο βολφραμίου, ορισμένης διαμέτρου D (συνήθως D=10mm) πιέζεται με μία συγκεκριμένη δύναμη F για ορισμένο χρονικό διάστημα t στην επιφάνεια του σκληρομετρούμενου αντικειμένου (Στην τυπική περίπτωση ισχύει D=10mm, F=3000kp και t=10-15s) Δημιουργείται ένα αποτύπωμα του οποίου μετρούμε τη διάμετρο d Ορίζεται ότι η σκληρότητα Brinell είναι το κλάσμα της δύναμης F προς τη σφαιρική επιφάνεια του αποτυπώματος Επομένως η σκληρότητα κατά Brinell έχει μονάδες πίεσης, και έχει καθιερωθεί να εκφράζεται σε kp/mm² Σύμφωνα με τύπο που δίνει η γεωμετρία για τη σφαιρική επιφάνεια του αποτυπώματος, η σκληρότητα Brinell υπολογίζεται με τη σχέση 2F ΗΒ = ---------------------------π D ( D D² d² ) Παράδειγμα συμβολισμού: Σκληρότητα 120 ΗΒ για μαλακό χάλυβα όπου το ΗΒ προέρχεται από τις λέξεις Hardness Brinell, ενώ ο αριθμός 120 σημαίνει σκληρότητα 120 kp/mm² (δηλ αν δεν μνημονεύεται η μονάδα της σκληρότητας, εννοείται η kp/mm²) Σχήμα 21 Σκληρομέτρηση κατά Brinell Η σκληρότητα κατά Brinell είναι ίση με τη σκληρότητα κατά Vickers, με εξαίρεση τις μεγάλες τιμές της σκληρότητας όπου υπάρχει μία μικρή απόκλιση (βλ παρακάτω, πίνακα 21)
Εάν είναι γνωστή η σκληρότητα κατά Brinell ενός χάλυβα, μπορεί να βρεθεί το όριο θραύσης του από τον πίνακα 22 (Αυτή η ιδιότητα είναι σημαντική, επειδή η σκληρομέτρηση είναι πολύ ευκολότερη από το πείραμα εφελκυσμού) Η απόσταση μεταξύ γειτονικών αποτυπωμάτων, καθώς και η απόσταση από το αποτύπωμα μέχρι την άκρη του σώματος πρέπει να είναι τουλάχιστον 2,5d, ενώ το πάχος του σώματος πρέπει να είναι τουλάχιστον δεκαπλάσιο του βάθους h του αποτυπώματος 23 Κλίμακα Vickers Δημιουργήθηκε για να παρακάμψει μειονεκτήματα της μεθόδου Brinell Ο ορισμός της διαμορφώθηκε με τρόπο που η μέθοδος να δίνει στις μικρές σκληρότητες τα ίδια αποτελέσματα με τη μέθοδο Brinell (βλ πίνακα 21) Η σκληρομέτρηση κατά Vickers εκτελείται ως εξής: Μία πυραμίδα από διαμάντι, με τετράγωνη βάση και γωνία κορυφής 136º, πιέζεται με μία συγκεκριμένη δύναμη F για ορισμένο χρονικό διάστημα t στην επιφάνεια του σκληρομετρούμενου αντικειμένου (Χρησιμοποιείται δύναμη F από 1kp έως 120kp) Δημιουργείται ένα αποτύπωμα του οποίου μετρούμε τις διαγωνίους d1 και d2 Ορίζεται ότι η σκληρότητα Vickers είναι το κλάσμα της δύναμης F προς το εμβαδό της επιφάνειας του αποτυπώματος Επομένως η σκληρότητα Vickers (όπως και η Brinell) έχει μονάδες πίεσης, και έχει καθιερωθεί να εκφράζεται και αυτή σε kp/mm² Σύμφωνα με τύπο που δίνει η γεωμετρία για το εμβαδό της παράπλευρης επιφάνειας πυραμίδας, η σκληρότητα Vickers υπολογίζεται με τη σχέση F ΗV ή DPH = 1,8544 ----d² όπου d = ( d1 + d2 ) / 2 Παράδειγμα συμβολισμού: Σκληρότητα 120 ΗV 5 ή 120 DPH 5 για μαλακό χάλυβα όπου το ΗV προέρχεται από τις λέξεις Hardness Vickers, το DPH (που χρησιμοποιείται ως συνώνυμο του HV) από τις λέξεις Diamond Pyramid Hardness, ο αριθμός 120 σημαίνει σκληρότητα 120 kp/mm² (δηλ αν δεν μνημονεύεται η μονάδα της σκληρότητας, εννοείται η kp/mm²) και ο αριθμός 5 που γράφεται μετά τα γράμματα σημαίνει ότι για να δημιουργηθεί το αποτύπωμα χρησιμοποιήθηκε δύναμη F=5kp Σχήμα 22 Σκληρομέτρηση κατά Vickers
Η απόσταση μεταξύ γειτονικών αποτυπωμάτων, καθώς και η απόσταση από το αποτύπωμα μέχρι την άκρη του σώματος πρέπει να είναι τουλάχιστον 2,5d Tο πάχος του σώματος πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε να μη δημιουργείται εξόγκωμα στην πίσω πλευρά, και πάντως μεγαλύτερο ή ίσο του 1,5d Η μέθοδος Vickers έχει μεγάλη έφαρμoγή στην έρευνα επειδή δίνει σε μια κλίμακα μετρήσεις σκληρότητας από πολύ μαλακά υλικά (HV = 5 kp/mm²) έως πολύ σκληρά (HV = 1500 kp/mm²) με εφαρμογή (αν θέλουμε) ενός μόνο φορτίου, ενώ στις άλλες κλίμακες (Brinel, Rockwell κλπ) είναι άναγκη να αλλάζει είτε ό διεισδυτής είτε το φορτίο (όταν μεταβάλλεται πολύ η σκληρότητα του υλικού), με αποτέλεσμα οι μετρήσεις στις άκρες της κλίμακας νά μην είναι απόλυτα συγκρίσιμες Γενικά χρησιμοποιείται δύναμη F από 5 έως 100 kp Στην περιοχή αυτή, η ακρίβεια των μετρήσεων δεν εξαρτάται από τη χρησιμοποιούμενη δύναμη Στην περιοχή όμως από 1 έως 5 kp, έχει παρατηρηθεί ότι υπάρχει πράγματι μία τέτοια εξάρτηση της μέτρησης από την τιμή της δύναμης F Παρ' όλα αυτά τά πλεονεκτήματα, η μέθοδος Vickers δεν έχει μεγάλη εφαρμογή στις μετρήσεις ρουτίνας διότι είναι αργή, απαιτεί πολύ καλή προπαρασκευή της επιφάνειας, και παρουσιάζει μεγαλύτερη πιθανότητα σφάλματος του παρατηρητή (σφάλμα στην ανάγνωση του μήκους της διαγωνίου) 23 Κλίμακες Rockwell Διαφοροποιούνται από τις προηγούμενες στο ότι στο τέλος της διαδικασίας μετριέται το βάθος του αποτυπώματος και όχι η έκτασή του Η σκληρομέτρηση κατά Rocwell εκτελείται ως εξής: - Ένας κατάλληλος διεισδυτής (χαλύβδινη σφαίρα για μαλακά υλικά ή κώνος από διαμάντι για σκληρά) οδηγείται στην επιφάνεια του τεμαχίου και αρχικά πιέζεται με μία προκαταρκτική δύναμη Fo=10kp Με τον τρόπο αυτό ο διεισδυτής διαπερνά τις επιφανειακές ανωμαλίες και φθάνει στο κυρίως σώμα του μετάλλου - Η θέση στην οποία φθάνει ο διεισδυτής ρυθμίζεται ως αφετηρία για τη μέτρηση του βάθους του αποτυπώματος - Προστίθεται στον διεισδυτή η κυρίως δύναμη F (ίση με 60kp για πολύ μαλακά υλικά, ή 100kp για υλικά μέτριας σκληρότητας, ή 150kp για σκληρά) και δημιουργείται αποτύπωμα στην επιφάνεια του σώματος - Αποσύρεται η επιπλέον δύναμη F και παραμένει μόνο η προκαταρκτική δύναμη Fo στον διεισδυτή Μετριέται το βάθος στο οποίο βρίσκεται αυτή τη στιγμή ο διεισδυτής, το οποίο μεταφράζεται σε μία αυθαίρετη βαθμολογία της σκληρότητας Αυτή είναι η σκληρότητα Rocwell, η οποία μπορεί να μετατραπεί σε ποσοτική σκληρότητα κατά Brinell ή Vickers με τη βοήθεια πινάκων μετατροπής (βλ πχ πιν 21) Ανάλογα με τη σκληρότητα του εξεταζόμενου υλικού πρέπει να χρησιμοποιηθεί ο κατάλληλος συνδυασμός διεισδυτή και της κυρίως δύναμης F, όπως εξηγεί ο πίνακας 23 Οι συνδυασμοί διεισδυτή και δύναμης δίνουν τις διάφορες κλίμακες σκληρότητας Rockwell (βλ πιν 23) Οι περισσότερο χρησιμοποιούμενες είναι οι κλίμακες F, B και C (για πολύ μαλακά, μέτριας σκληρότητας και σκληρά υλικά αντίστοιχα) Παραλλαγή των παραπάνω είναι οι κλίμακες επιφανειακής σκληρότητας κατά Rockwell Χρησιμοποιούνται όταν το αποτύπωμα πρέπει να είναι πολύ ρηχό (πχ για σκληρότητα λεπτών φύλλων ή της επιφανειακής στιβάδας ενός ενανθρακωμένου χάλυβα) Για να προ-
κύψει μικρό βάθος αποτυπώματος, χρησιμοποιούνται μικρότερες δυνάμεις (προκαταρκτική δύναμη Fo=3kp, κυρίως δύναμη F=από 15kp έως 45kp, βλ λεπτομέρειες στον πιν 24) Παραδείγματα συμβολισμού: Σκληρότητα 69 HRB για μαλακό χάλυβα ή ισοδύναμα Σκληρότητα HRB 69 για μαλακό χάλυβα (Σκληρότητα σε κλίμακα Rockwell Β, το HRB προέρχεται από τις λέξεις Hardness Rockwell B) Αντίστοιχα για σκληρότητα σε κλίμακα Rockwell C, που χρησιμοποιείται σε σκληρούς χάλυβες: Σκληρότητα 30 HRC ή ισοδύναμα Σκληρότητα HRC 30 Η επιφάνεια του τεμαχίου πρέπει να είναι καθαρισμένη από οξείδια, μπογιά, λίπη κτλ Για να είναι αξιόπιστη η μέτρηση πρέπει να σκληρομετρηθεί το τεμάχιο τέσσερεις ή πέντε φορές, και να ληφθεί ο μέσος όρος των μετρήσεων (Αν όμως θέλουμε να μετρήσουμε πώς μεταβάλλεται η σκληρότητα κατά μήκος κάποιας ευθείας στην επιφάνεια του δοκιμίου, σκληρομετρούμε σε κανονικά διαστήματα κατά μήκος της ευθείας χωρίς να επιδιώκουμε υπολογισμό μέσου όρου) Η απόσταση μεταξύ γειτονικών αποτυπωμάτων, καθώς και η απόσταση από το αποτύπωμα μέχρι την άκρη του σώματος πρέπει να είναι τουλάχιστον 2,5 φορές η διάμετρος του αποτυπώματος Tο πάχος του σώματος πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο ώστε να μη δημιουργείται εξόγκωμα στην πίσω πλευρά Αν η σκληρομέτρηση εκτελείται πάνω σε κυλινδρική επιφάνεια με διάμετρο μικρότερη ή ίση των 25mm, πρέπει στη μετρούμενη τιμή να προστεθεί μια διόρθωση σύμφωνα με πρότυπους πίνακες (πχ κατά ASTM E-18), διότι η καμπυλότητα της επιφάνειας κάνει τη σκληρότητα να εμφανίζεται χαμηλότερη (Η μεγαλύτερη διόρθωση είναι 12,5 για μικρή διάμετρο και μαλακό υλικό, σε πολλές όμως περιπτώσεις είναι αρκετά μικρότερη) Πλεονεκτήματα της μεθόδου Rockwell είναι: α) Επειδή χρησιμοποιείται προκαταρκτική δύναμη, δεν είναι ανάγκη να λειανθεί η επιφάνεια του δοκιμίου β) Επειδή μετριέται το βάθος αποτυπώματος με μετρητικό ωρολόι, η μέτρηση είναι ταχύτερη και ακριβέστερη από ό,τι στις κλίμακες Brinell και Rockwell γ) Μπορούν να ανιχνευθούν μικρές διαφορές σκληρότητας στους σκληρούς χάλυβες δ) Το μέγεθος του αποτυπώματος είναι μικρό, άρα η σκληρομέτρηση δεν αχρηστεύει το τεμάχιο Μειονέκτημα είναι ότι το αριθμητικό αποτέλεσμα εκφράζεται σε αυθαίρετη κλίμακα, και ότι (αντίθετα με τη μέθοδο Vickers) δεν μπορούν όλες οι σκληρότητες (μαλακών και σκληρών υλικών) να εκφρασθούν στην ίδια κλίμακα 24 Σύντομες οδηγίες χρήσεως του σκληρομέτρου τύπου FRANK 38174, του Εργαστηρίου Ανυψωτικών Α Εάν θέλουμε να μετρήσουμε κατά Rockwell B ακολουθούμε την εξής διαδικασία: 1 Επιλέγουμε φόρτιση (τελική) 980Ν Επιτυγχάνεται με τον συνδυασμό των φορτίων 1532 + 588 + 980 Ν 2 Τοποθετούμε την κατάλληλη τράπεζα δοκιμίων ανάλογα με το μέγεθος και το σχήμα του δοκιμίου 3 Τοποθετούμε τον σφαιρικό διεισδυτή με διάμετρο 1/16 in 4 Τοποθετούμε το προς μέτρηση δοκίμιο επάνω στην τράπεζα δοκιμίων 5 Με τη βοήθεια του χειροκίνητου στροφείου στο κάτω μέρος της ατράκτου ανεβάζουμε το δοκίμιο μέχρι του σημείου, όπου ο μικρός δείκτης φθάσει στην κόκκινη τελεία και ο μεγάλος δείκτης αφού πραγματοποιήσει περίπου 2,5 στροφές, φθάσει στο "Ο"
6 Ενεργοποιουμε τον μοχλό απελευθέρωσης του φορτίου στρέφοντάς τον προς τα κάτω, έτσι ώστε αυτός να συνεχίσει μόνος του την πορεία του προς τα κάτω 7 Μόλις σταματήσει η κίνηση των δεικτών επαναφέρουμε τον μοχλό απελευθέρωσης του φορτίου στην επάνω θέση 8 Μπορούμε να διαβάσουμε κατ' ευθείαν την σκληρότητα του υλικού κατά Rockwell Β στο μετρητικό ρολόι της συσκευής στα νούμερα με την κόκκινη γραφή και την ένδειξη "Β" Β Εάν θέλουμε να μετρήσουμε κατά Rockwell C ακολουθούμε την εξής διαδικασία: 1 Επιλέγουμε την φόρτιση (τελική) 1471Ν Επιτυγχάνεται με τον συνδυασμό των φορτίων 1532 + 588 + 980 + 1471 Ν 2 Τοποθετούμε την κατάλληλη τράπεζα δοκιμίων ανάλογα με το μέγεθος και το σχήμα του δοκιμίου 3 Τοποθετούμε τον κωνικό διεισδυτή γωνίας 120º 4 Τοποθετούμε το δοκίμιο επάνω στην τράπεζα δοκιμίων 5 Με την βοήθεια του χειροκίνητου στροφείου στο κάτω μέρος της ατράκτου ανεβάζουμε το δοκίμιο μέχρι του σημείου, όπου ο μικρός δείκτης φθάσει στην κόκκινη τελεία και ο μεγάλος δείκτης αφού κάνει περίπου 2,5 στροφές φθάσει στο "Ο" 6 Ενεργοποιούμε τον μοχλό απελευθέρωσης του φορτίου στρέφοντάς τον προς τα κάτω, έτσι ώστε να συνεχίσει μόνος του την πορεία του προς τα κάτω 7 Μόλις σταθεροποιηθούν οι δείκτες επαναφέρουμε προσεκτικά τον μοχλό απελευθέρωσης του φορτίου στην επάνω θέση 8 Σε αυτό το σημείο οι δείκτες δείχνουν την τιμή της σκληρότητας, την οποία διαβάζουμε απ' ευθείας στο μετρητικό ρολόι στα νούμερα με την μαύρη γραφή Γ Εάν θέλουμε να μετρήσουμε κατά Rockwell F ακολουθούμε την εξής διαδικασία: 1 Επιλέγουμε φόρτιση (τελική) 588Ν Επιτυγχάνεται με τον συνδυασμό των φορτίων 1532 + 588 Ν 2 Τοποθετούμε την κατάλληλη τράπεζα δοκιμίων ανάλογα με το μέγεθος και το σχήμα του δοκιμίου 3 Τοποθετούμε τον σφαιρικό διεισδυτή με διάμετρο 1/16 in 4 Τοποθετούμε το προς μέτρηση δοκίμιο επάνω στην τράπεζα δοκιμίων 5 Με τη βοήθεια του χειροκίνητου στροφείου στο κάτω μέρος της ατράκτου ανεβάζουμε το δοκίμιο μέχρι του σημείου, όπου ο μικρός δείκτης φθάσει στην κόκκινη τελεία και ο μεγάλος δείκτης αφού πραγματοποιήσει περίπου 2,5 στροφές, φθάσει στο "Ο" 6 Ενεργοποιουμε τον μοχλό απελευθέρωσης του φορτίου στρέφοντάς τον προς τα κάτω, έτσι ώστε αυτός να συνεχίσει μόνος του την πορεία του προς τα κάτω 7 Μόλις σταματήσει η κίνηση των δεικτών επαναφέρουμε τον μοχλό απελευθέρωσης του φορτίου στην επάνω θέση 8 Μπορούμε να διαβάσουμε κατ' ευθείαν την σκληρότητα του υλικού κατά Rockwell F στο μετρητικό ρολόι της συσκευής στα νούμερα με την κόκκινη γραφή και την ένδειξη "Β" (Η ανάγνωση της σκληρότητας κατά Rockwell F είναι ίδια με την ανάγνωση κατά Rockwell Β)
Σχήμα 23 Το σκληρόμετρο FRANK 38174 με τα εξαρτήματά του
Πίνακας 21 Μετατροπή μεταξύ των σκληροτήτων HV (Vickers), HB (Brinell), HRB (Rockwell B) και HRC (Rockwell C)
Πίνακας 22 Αντιστοιχία της σκληρότητας HB (Brinell) με το όριο θραύσης σzθ σε εφελκυσμό, για χάλυβες που έχουν ομοιόμορφη σκληρότητα σε όλη τους τη διατομή
Πίνακας 23 Κλίμακες κανονικής σκληρότητας κατά Rockwell (επιλογή) Σύμβολο Διεισδυτής Φορτίο (kp) Πού χρησιμοποιείται A Αδαμάντινος κώνος (γωνία κορυφής 120º) 60 Συσσωματώματα καρβιδίων (όπως στα κοπτικά εργαλεία, κοινώς βίδια ), λεπτοί χάλυβες, και χάλυβες με επιφανειακή σκλήρυνση μικρού πάχους B Σφαίρα 1/16 in (1,588mm) 100 Μαλακοί χάλυβες, σίδηρος επιδεκτικός σφυρηλασίας, και άλλα υλικά σκληρότερα από HR F 100 C Αδαμάντινος κώνος (γωνία κορυφής 120º) 150 Σκληροί χάλυβες, σκληροί χυτοσίδηροι, περλιτικός ελατός σίδηρος, τιτάνιο, χάλυβες με επιφανειακή σκλήρυνση μεγάλου πάχους, και άλλα υλικά σκληρότερα από HR B 100 D Αδαμάντινος κώνος (γωνία κορυφής 120º) 100 Λεπτά φύλλα χάλυβα, χάλυβες με επιφανειακή σκλήρυνση μεσαίου πάχους, περλιτικός ελατός σίδηρος E Σφαίρα 1/8 in (3,175mm) 100 Χυτοσίδηρος, κράματα αλουμινίου και μαγνησίου, υλικά εδράνων ολισθήσεως F Σφαίρα 1/16 in (1,588mm) 60 Κράματα χαλκού και αλουμινίου, λεπτά και μαλακά φύλλα μετάλλου G Σφαίρα 1/16 in (1,588mm) 150 Φωσφορούχος μπρούντζος, κράμα χαλκού-βηρυλλίου, σίδηρος επιδεκτικός σφυρηλασίας Έως σκληρότητα HR G 92 για να μην καταστραφεί η σφαίρα H Σφαίρα 1/8 in (3,175mm) 60 Αλουμίνιο, ψευδάργυρος, μόλυβδος K Σφαίρα 1/8 in (3,175mm) 150 Υλικά εδράνων ολισθήσεως και άλλα πολύ μαλακά ή πολύ λεπτά υλικά (*) L Σφαίρα 1/4 in (6,350mm) 60 Ομοίως (*) M Σφαίρα 1/4 in (6,350mm) 100 Ομοίως (*) P Σφαίρα 1/4 in (6,350mm) 150 Ομοίως (*) (*) Πρέπει κάθε φορά να βρίσκεται με δοκιμές ποια είναι η κλίμακα με το μεγαλύτερο φορτίο και τη μικρότερη σφαίρα που το αποτύπωμά της δεν εξέχει από την κάτω πλευρά του δοκιμίου Πηγή: Πρότυπο ASTM E 18
Πίνακας 24 Κλίμακες επιφανειακής σκληρότητας κατά Rockwell Α' Κύριες επιφανειακές κλίμακες Σύμβολο Διεισδυτής 15Ν 30Ν Αδαμάντινος κώνος Φορτίο (kp) Πού χρησιμοποιείται 15 Όπου και οι κλίμακες A, C, D, αλλά σε φύλλα μικρού πάχους ή με επιφανειακή σκλήρυνση πολύ μικρού πάχους 30 45Ν 45 15Τ 15 30Τ Σφαίρα 1/16 in (1,588mm) 30 45Τ Β' Άλλες επιφανειακές κλίμακες Σύμβολο Όπου και οι κλίμακες B, F, G, αλλά σε φύλλα μικρού πάχους 45 Προδιαγραφές Πού χρησιμοποιείται 15W, 30W, 45W Όπως η κλίμ Τ, αλλά με σφαίρα 1/8 in (3,175mm) 15X, 30X, 45X Όπως η κλίμ Τ, αλλά με σφαίρα 1/4 in (6,350mm) Για πολύ μαλακά υλικά 15Y, 30Y, 45Y Όπως η κλίμ Τ, αλλά με σφαίρα 1/2 in (12,70mm) Πίνακας 25 Επιλογή κλίμακας σκληρότητας κατά Rockwell ανάμεσα στις κλίμακες A, B, C, F 1 Ακολουθούμε τις συστάσεις του πίνακα 23 2 Αν το πάχος του τεμαχίου είναι 2,6mm ή λιγότερο, συμβουλευόμαστε τις ειδικές οδηγίες για λεπτά υλικά 3 Αν ξέρουμε ότι το υλικό είναι εξαιρετικά σκληρό, διαλέγουμε κλίμακα Rockwell A (Χρησιμοποιεί μικρό φορτίο, και έτσι προστατεύεται το διαμάντι από καταστροφή) 4 Με την κλίμακα που βρήκαμε στα παραπάνω εκτελούμε τη σκληρομέτρηση Βλέπουμε από τον παρακάτω πίνακα μήπως πρέπει να αλλάξουμε κλίμακα Όρια αποδεκτής Κλίμακα σκληρότητας από έως A 20 100 B 35 100 C 20 70 F 0 100 Παρατηρήσεις Αν σκληρότητα < 85,6 HRA μπορούμε με ασφάλεια να αλλάξουμε σε κλίμακα C (Η C είναι πιο αξιόπιστη, και δεν θα κινδυνεύσει να καταστραφεί το διαμάντι) Αν σκληρότητα < 35 HRB, πρέπει να αλλάξουμε σε κλίμακα F Αν σκληρότητα > 100 HRB, πρέπει να αλλάξουμε σε κλίμακα C Αν σκληρότητα < 20 HRC, πρέπει να αλλάξουμε σε κλίμακα B Αν σκληρότητα > 70 HRC, πρέπει να αλλάξουμε σε κλίμακα A για να προστατεύσουμε το διαμάντι Αν σκληρότητα > 100 HRF, πρέπει να αλλάξουμε σε κλίμακα B Για μικρές τιμές της σκληρότητας F (πχ από 30 HRF και κάτω) πρέπει να συμβουλευθούμε τους πίνακες σκληροτήτων του εξεταζόμενου μετάλλου (πχ χαλκού ή αλουμινίου)
Πίνακας 26 Αντιστοιχίες της σκληρότητας Vickers των χαλύβων με σκληρότητες σε άλλες κλίμακες (Ισχύει ιδιαίτερα για χάλυβες ανοπτημένους και επιβελτιωμένους Η ακρίβεια είναι λιγότερη για ψυχρηλατημένους ή ωστενιτικούς) Οι τιμές μέσα σε παρένθεση είναι εκτός των ορίων της κλίμακας, και δίνονται για λόγους πληροφοριακούς και μόνο Σημασίες στηλών: βλ στο τέλος της μεθεπόμενης σελίδας (α) (β) 940 (γ) (δ) (ε) (στ) (ζ) (η) (θ) (ι) (ια) (ιβ) 856 680 769 932 844 754 920 97 920 853 675 765 930 840 748 908 96 900 850 670 761 929 836 742 895 95 664 757 927 831 736 882 93 659 753 925 827 731 867 92 653 748 923 822 722 852 91 880 (767) 847 860 (757) 844 840 (745) 841 820 (733) 838 647 743 921 817 718 837 90 800 (722) 834 640 738 918 811 710 822 88 780 (710) 830 633 733 915 804 702 806 87 760 (698) 826 625 726 912 797 694 788 86 (684) 822 618 721 910 791 686 772 84 (670) 818 610 715 907 784 677 754 83 (656) 813 601 708 903 776 667 735 81 690 (647) 811 597 705 901 772 662 725 680 (638) 808 592 701 898 768 657 716 80 670 (630) 806 588 698 897 764 653 706 620 803 583 694 895 759 647 697 79 611 800 578 690 892 755 641 687 78 740 720 700 660 650 640 601 798 573 687 890 751 635 677 77 630 591 795 568 683 888 746 630 667 76 620 582 792 563 679 885 742 624 657 75 610 573 789 557 675 882 736 617 646 600 564 786 552 670 880 732 612 636 74 590 554 784 547 667 878 727 605 625 73 580 545 780 541 662 875 721 599 615 72 570 535 778 536 658 872 717 593 604 560 525 774 530 654 869 712 586 594 71 550 (505) 517 770 523 648 866 705 578 583 70 540 (496) 507 767 517 644 863 700 570 572 69 530 (488) 497 764 511 639 860 695 562 561 68 520 (480) 488 761 505 635 857 690 556 550 67 510 (473) 479 757 498 629 854 683 547 539
Πίνακας 26, συνέχεια Σημασίες στηλών: βλ στο τέλος της επόμενης σελίδας (α) (β) (γ) (δ) (ε) (στ) (ζ) (η) (θ) (ι) (ια) (ιβ) 500 (465) 471 753 49 Ι 622 850 677 539 528 66 490 (456) 460 749 484 616 847 671 531 517 65 480 (448) 452 745 477 613 843 664 522 505 64 470 441 442 741 469 607 839 657 513 494 460 433 433 736 461 601 836 649 504 482 62 450 425 425 733 453 594 832 643 494 471 440 415 415 728 445 588 828 635 484 459 59 430 405 405 723 436 582 823 627 474 447 58 420 397 397 718 427 575 818 619 464 435 57 410 388 388 714 418 568 814 611 453 423 56 400 379 379 708 408 560 808 602 441 412 55 390 369 369 703 398 552 803 593 429 400 380 360 360 698 (1100) 388 544 798 584 417 389 52 370 350 350 692 377 536 792 574 404 378 51 360 341 341 687 (1090) 366 528 786 564 391 367 50 350 331 331 681 355 519 780 554 378 356 48 340 322 322 676 (1080) 344 511 774 544 365 346 47 330 313 313 670 333 502 768 536 352 337 46 320 303 303 664 (1070) 322 494 762 523 339 328 45 310 294 294 658 310 484 756 513 325 318 300 284 284 652 (1055) 298 475 749 502 311 309 42 295 280 280 648 292 471 746 497 304 305 290 275 275 645 (1045) 285 465 742 490 295 300 41 285 270 270 642 278 460 738 484 287 296 280 265 265 638 (1035) 271 453 734 478 279 291 40 275 261 261 635 264 449 730 472 271 286 39 270 256 256 631 (1020) 256 443 726 464 262 282 38 265 252 252 627 248 437 721 457 252 277 260 247 247 624 (1010) 240 431 716 450 243 272 255 243 243 620 231 422 711 442 232 267 250 238 238 616 995 222 417 706 434 222 262 36 245 233 233 612 213 411 70 Ι 425 211 258 35 240 228 228 607 981 203 403 696 417 199 253 34 230 219 219 967 (180) 243 33 37
Πίνακας 26, συνέχεια Σημασίες στηλών: βλ στο τέλος αυτής της σελίδας 220 209 209 950 (157) 234 32 210 200 200 934 (134) 226 30 200 190 190 915 (110) 216 29 190 181 181 895 ( 85) 206 28 180 171 171 871 ( 60) 196 26 170 162 162 850 (30) 185 25 160 152 152 817 (00) 175 23 150 143 143 787 164 22 140 133 133 750 154 21 130 124 124 712 120 114 114 667 110 105 105 100 95 95 95 90 90 85 143 20 133 18 623 123 562 112 90 520 107 86 86 480 102 81 81 410 97 Περιεχόμενο στηλών του πίνακα: (α) Σκληρότητα Vickers σε kp/mm² (β) Σκληρότητα Brinell σε kp/mm², με κανονική χαλύβδινη σφαίρα (γ) Σκληρότητα Brinell σε kp/mm², με σφαίρα από καρβίδιο του βολφραμίου (δ) Σκληρότητα Rockwell A (ε) Σκληρότητα Rockwell B (στ) Σκληρότητα Rockwell C (ζ) Σκληρότητα Rockwell D (η) Σκληρότητα Rockwell 15N (θ) Σκληρότητα Rockwell 30N (ι) Σκληρότητα Rockwell 45N (ια) Σκληρότητα Knoop με φορτίο τουλάχιστον 0,5 kp (ιβ) Σκληρότητα Shore
3 Το πείραμα του εφελκυσμού 31 Γενικά Προσπαθούμε να μετρήσουμε: α) Πώς παραμορφώνεται το σώμα β) Πόση είναι η φόρτιση που προκαλεί βλάβη Βλάβες του δοκιμίου: α) Πλαστική παραμόρφωση β) Θραύση Απαιτούμενα της μηχανής Να καταγράφεται η δύναμη που φορτίζει το σώμα και ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑ η παραμόρφωσή του ΤΗ ΣΤΙΓΜΗ που εκτελείται το πείραμα (βλ το διάγραμμα που προκύπτει) Δύο ιδιότητες της παραμόρφωσης α) Καθώς εξελίσσεται η πλαστική παραμόρφωση, ο όγκος του μετάλλου μένει σταθερός β) Η αποφόρτιση μετά από πλαστική παραμόρφωση, και η επαναφόρτιση γίνονται ελαστικά Αριθμητικά αποτελέσματα που λαμβάνονται από το διάγραμμα: - Μέτρο ελαστικότητας - Όριο ροής - Όριο θραύσης - (Έργο που απορροφάται μέχρι τη θραύση) Αριθμητικά αποτελέσματα που λαμβάνονται από το σπασμένο δοκίμιο - Συνολική επιμήκυνση μέχρι τη θραύση (ποσοστιαία) (Πρέπει να μετρηθεί σε δοκίμιο με τυποποιημένη αναλογία μήκους προς διάμετρο, συνήθως 5:1) - Συνολική μείωση του εμβαδού διατομής (ποσοστιαία) 32 Δοκίμιο και διαγράμματα Για το πείραμα του εφελκυσμού θα χρησιμοποιήσουμε δοκίμιο μορφής Α κατά DIN 50125 με τυποποιημένο λόγο μήκους προς διάμετρο 5:1 (οι διαστάσεις του είναι αποδεκτές και από το ευρωπαϊκό πρότυπο ΕΝ 10 002) Η μορφή του δοκιμίου φαίνεται στο παρακάτω σχήμα
Σχήμα 31 Δοκίμιο εφελκυσμού μορφής Α κατά DIN 50125 Όπου d1 = 1,2 do, Lo = 5do (στα άκρα του μήκους Lo τοποθετούνται δύο σημάδια με μαρκαδόρο), και LC>Lo+dο Ειδικά στην περίπτωσή μας εκλέχθηκαν: do =16mm, d1=1,2*16 mm=19,2mm, Lo=80mm, L C=Lo+do=96mm, h=50mm, οπότε τελικά προκύπτει Lt=202,4mm Η μηχανή εφελκυσμού μετρά και καταγράφει την δύναμη F που ενεργεί στο δοκίμιο (σε μονάδα Ν) και την απόλυτη επιμήκυνση Δℓ (σε μονάδα mm) Για να είναι τα αποτελέσματα ανεξάρτητα από το μέγεθος του δοκιμίου πρέπει: - Να υπολογίσουμε το εμβαδό της κάθετης τομής: π do2 3,1416*162 mm2 Αο = ---------- = ------------------------4 4 - Nα αναγνωρίσουμε το μήκος Lαρχ που συμμετέχει στην παραμόρφωση: στο πείραμά μας θα είναι λιγότερο μεγαλύτερο από Σχήμα 32 Δύναμη που ενεργεί στο δοκίμιο, και παραμόρφωσή του το LC, και θα ληφθεί ίσο με Lαρχ = 99mm - Nα μετατρέψουμε τις τιμές της δύναμης F σε διάφορα στάδια του πειράματος σε αντίστοιχες τιμές της τάσης σ, χρησιμοποιώντας τον τύπο F σ = -----Ao - Nα μετατρέψουμε της τιμές της απόλυτης επιμήκυνσης Δℓ σε αντίστοιχες τιμές της σχετικής επιμήκυνσης ε, χρησιμοποιώντας τον τύπο Δℓ ε = --------Lαρχ - Να σχηματίσουμε διάγραμμα σ-ε (μόνο το διάγραμμα σ-ε είναι δεκτό για την ανακοίνωση των τελικών αποτελεσμάτων του πειράματος)
33 Διαδικασία πειράματος - Έχουμε ήδη κατασκευασμένο δοκίμιο με τη μορφή και τις διαστάσεις που προαναφέρθηκαν - Τοποθετούμε δύο σημάδια με μαρκαδόρο στο δοκίμιο, σε απόσταση Lo=80mm Το διάστημα μήκους Lo το υποδιαιρούμε σε δέκα ίσα μέρη, τοποθετώντας ενδιάμεσα σημάδια με μαρκαδόρο - Τοποθετούμε το δοκίμιο στην μηχανή εφελκυσμού - Ρυθμίζουμε την ταχύτητα μετακίνησης του κινητού σφικτήρα σε 2mm/min (σε αναλογία αλλά όχι σε απόλυτη συμφωνία με το ΕΝ 10002) και αρχίζουμε το πείραμα - Στην οθόνη του υπολογιστή βλέπουμε τη συνολική δύναμη F και τη συνολική επιμήκυνση Δℓ - Σε κάποιο σημείο Α' το διάγραμμα σχηματίζει κορυφή και αρχίζει να κατεβαίνει Το ύψος ΑΑ', αν μετατραπεί σε τάση, μας δίνει το άνω όριο ροής Πέρα απ το σημείο Α' αρχίζει η πλαστική παραμόρφωση (Το άνω όριο ροής συμβολίζεται στο ΕΝ 10002 με ReH) - Συνεχίζουμε το πείραμα μέχρις η συνολική επιμήκυνση φθάσει (στις τωρινές συνθήκες) πχ σε Δℓ = 12 mm (σημείο Β') - Σημειώνουμε χειρόγραφα τη δύναμη (που παριστάνεται με το ΒΒ στο διάγρ, F-Δℓ) και την απόλυτη επιμήκυνση (που παριστάνεται με το ΟΒ στο διάγρ F-Δℓ) - Διακόπτουμε το πείραμα και μειώνουμε χειροκίνητα την δύναμη μέχρι το μηδέν - Σημειώνουμε την νέα (μικρότερη) επιμήκυνση (αυτή παριστάνεται με το ΟΓ στο διάγραμμα F-Δℓ) Με τον τρόπο αυτό εκτελέσαμε αποφόρτιση του δοκιμίου (η οποία είναι ελαστική) - Ξαναρχίζουμε νέο πείραμα Καθώς μετακινείται ο κινητός σφικτήρας της μηχανής, αυξάνονται σταδιακά η δύναμη και η παραμόρφωση Η μεταβολή της κατάστασης του δοκιμίου παριστάνεται στο διάγραμμα F-Δℓ από την καμπύλη ΓΒ' (άρα συμβαίνει ελαστική επαναφόρτιση) - Πέρα από το σημείο Β το δοκίμιο ακολουθεί την καμπύλη Β Δ και η παραμόρφωση είναι πλαστική - Για κάποιο διάστημα Β Δ, όσο αυξάνεται η παραμόρφωση αυξάνεται αργά και η δύναμη Υπάρχει όμως ένα σημείο Δ στο οποίο η δύναμη σταθεροποιείται Καθώς προχωρεί το πείραμα και αυξάνεται η παραμόρφωση, βλέπουμε (στην περιοχή Δ Ε ) τη δύναμη να μειώνεται - Από τη στιγμή που θα δούμε τη δύναμη να σταθεροποιείται (σημείο Δ στο διάγραμμα) αρχίζουμε να παρατηρούμε το δοκίμιο Σε κάποιο σημείο του σχηματίζεται λαιμός (δηλ τοπική μείωση της διαμέτρου), που στην αρχή είναι ανεπαίσθητος και μετά γίνεται όλο και πιο εμφανής Η πλαστική παραμόρφωση, που μέχρι τώρα κατανεμόταν ομοιόμορφα σε όλο το μήκος του δοκιμίου, αρχίζει να περιορίζεται μόνο στην περιοχή του λαιμού Στην ίδια περιοχή, λόγω της έντονης πλαστικής παραμόρφωσης, η επιφάνεια του δοκιμίου θαμπώνει - Το ύψος ΔΔ, αν μετατραπεί σε τάση, μας δίνει το όριο θραύσης, το οποίο συμβολίζεται στο ΕΝ 10002 με Rm - Σε κάποιο σημείο Ε, αφού ο λαιμός λεπτύνει αρκετά, το δοκίμιο σπάζει - Σταματούμε το πείραμα και δίνουμε εντολή στον υπολογιστή να εκτυπώσει το διάγραμμα F-Δℓ που κατέγραψε στη διάρκεια του πειράματος (Βλ σχ 3 παρακάτω) - Αφαιρούμε τα κομμάτια του δοκιμίου από τους σφικτήρες, τα εφαρμόζουμε μεταξύ τους,
και μετρούμε πόσο απέχουν στη νέα κατάσταση τα σημάδια με τον μαρκαδόρο (έστω μήκος Lu) 34 Αποτελέσματα - Με βάση το διάγραμμα F-Δℓ που εκτυπώθηκε, σχεδιάζουμε το διάγραμμα σ-ε (βλ παράγρ 2 και σχ 4) - Βρίσκουμε το άνω όριο ροής (τάση ΑΑ στο διάγρ σ-ε) και το όριο θραύσης (τάση ΔΔ στο διάγρ σ-ε) - Από τα μεγέθη Re = τάση ΒΒ στο διάγρ σ-ε και εe = παραμόρφωση ΓΒ στο διάγρ σ-ε υπολογίζουμε το μέτρο ελαστικότητας που ισούται με Re Ε = --------εe (Παρατήρηση: Με τον παραπάνω τρόπο το μέτρο ελαστικότητας υπολογίζεται από τα στοιχεία της ευθείας ΓΒ Η ευθεία ΟΑ θα έπρεπε κανονικά να δώσει το ίδιο μέτρο ελαστικότητας, στο πείραμά μας όμως δίνει σημαντικά μικρότερο Η διαφορά πιθανότατα οφείλεται στο ότι στη διάρκεια της μεταβολής ΟΑ οι σφικτήρες ολισθαίνουν στις κεφαλές του δοκιμίου, και έτσι μετράται λανθασμένα κάποια μεγάλη παραμόρφωση Η ολίσθηση όμως σταματά μετά το σημείο Α ) - Υπολογίζουμε τη συνολική επιμήκυνση μέχρι τη θραύση, ως ποσοστό επί τοις εκατό του αρχικού μήκους, χρησιμοποιώντας τον τύπο Lu Lο Α = ------------ * 100% Lο - Υπολογίζουμε το εμβαδό της περιοχής ΑΑ Β Δ Ε Ε στο διάγραμμα F-Δℓ, που ισούται με το έργο που απορρόφησε το δοκίμιο λόγω πλαστικής παραμόρφωσης μέχρι να σπάσει (Τρόπος υπολογισμού: χωρίζουμε την περιοχή σε τμήματα που είναι κατά προσέγγιση τραπέζια Υπολογίζουμε τα εμβαδά των τμημάτων και τα προσθέτουμε Το εμβαδό τραπεζίου όπως ξέρουμε, είναι yα + yβ Ε = ------------ Δx 2 (βλ σχ 35) Παρατήρηση: Τα εμβαδά που αναφέρθηκαν παραπάνω εκφράζουν έργο, και γι' αυτό φροντίζουμε να θέσουμε στους τύπους τις μονάδες στη μορφή: για τα yα, yβ: μονάδα Ν (δυνάμεις) για το Δx : μονάδα m (μετατόπιση Στο διάγραμμα η μετατόπιση είναι εκφρασμένη σε mm, και πρέπει να την μετατρέψουμε σε m) Με τον τρόπο αυτό, τα εμβαδά θα έχουν μονάδα το 1N*1m = 1J)
Ο υπολογισμός του έργου διευκολύνεται αν συμπληρώσουμε πίνακα όπως ο παρακάτω Τα σημεία Σ2, Σ3 χωρίζουν τη γραμμή Α'Β'Δ'Ε' του διαγράμματος F Δℓ σε τμήματα Το σημείο Γ (τέλος αποφόρτισης) δεν περιλαμβάνεται στα Σ2, Σ3 Τα Fi, Δℓi λαμβάνονται από τη γραμμή του πίνακα στην οποία βρισκόμαστε αυτή τη στιγμή, ενά τα Fi+1, Δℓi+1 από την αμέσως επόμενη Τα Wi δείχνουν το έργο που απορροφάται με την παραμόρφωση στο διάστημα Σ2-Σ3, στο Σ3-Σ4 κτλ Στο τέλος του υπολογισμού προσθέτουμε όλα τα Wi για να βρούμε το συνολικό έργο Σημείο F [N] Σ2 Σ3 Σ4 Δℓ [m] Fm = =(Fi+Fi+1)/2 [N] Δx= = Δℓi+1 Δℓi [m] Wi = Fm * Δx [J] Load (N) (Δύναμη F, σε N) Συνολικό έργο Tensile extension (mm) (Απόλυτη επιμήκυνση Δℓ, σε mm) Σχήμα 33 Διάγραμμα F Δℓ (δύναμης απόλυτης επιμήκυνσης) σε πείραμα εφελκυσμού
Τάση σ, σε N/mm² Σχετική επιμήκυνση ε, σε [-] Σχήμα 34 Διάγραμμα σ ε (τάσης σχετικής επιμήκυνσης) σε πείραμα εφελκυσμού Σχήμα 35 Στοιχεία για τον υπολογισμό του εμβαδού σε τραπέζιο 35 Τεχνική έκθεση εφελκυσμού Η κάθε τεχνική έκθεση πρέπει να εξηγεί: Τί ανατέθηκε, ποιες εργασίες έγιναν, τί αποτελέσματα προέκυψαν, και (σε χωριστό κατά προτίμηση κεφάλαιο) τον σχολιασμό αυτών των αποτελεσμάτων Η τεχνική έκθεση του εφελκυσμού παρουσιάζει ποσοτικά κυρίως αποτελέσματα, ενώ της μεταλλογραφίας ποιοτικά Στην τεχνική έκθεση για το πείραμα του εφελκυσμού, μπορούμε να αναφέρουμε ότι εκτελέσθηκε η τυποποιημένη δοκιμασία εφεκλυσμού, και να μην αναφέρουμε αναλυτικά όσες λεπτομέρειες εμπίπτουν στο τυποποιημένη Πρέπει όμως να αναφέρουμε τα παρακάτω, τα οποία δεν καθορίζονται μονοσήμαντα από την τυποποίηση, και τα εξηγούν οι παράγραφοι 32 και 33: - ποιο το σχήμα και οι διαστάσεις του δοκιμίου - ταχύτητα κίνησης της κινητής σιαγόνας της μηχανής εφελκυσμού - ότι μετά από κάποιο ποσό πλαστικής παραμόρφωσης, αποφορτίσαμε και επαναφορτίσαμε το δοκίμιο
Μετά από αυτά τα περιγραφικά, παραθέτουμε την εκτύπωση του διαγράμματος F Δℓ που μας έβγαλε η μηχανή Μετά γράφουμε τους υπολογισμούς για τη δημιουργία του διαγράμματος σ ε: - Σημειώνουμε πχ δέκα σημεία πάνω στη γραμμή του διαγράμματος F Δℓ, τέτοια ώστε αν τα ενώσουμε με ευθείες να δίνουν με καλή προσέγγιση τη γραμμή του διαγράμματος (Άρα: αραιά εκεί που έχουμε ευθείες, πιο πυκνά στις καμπύλες Την πριονωτή γραμμή ακριβώς δεξιά από το A' (σχ 33) δεν χρειάζεται να την καλύψουμε με ακρίβεια) - Στα σημεία αυτά οπωσδήποτε να περιλαμβάνονται και τα αντίστοιχα των Β', Δ' (για τα οποία έχουμε χειρόγραφα τα F, Δℓ, βλ σημειώσεις στα δεξιά του διαγράμματος) Το Β' είναι το σημείο της αρχής αποφόρτισης, ενώ το Δ' της αρχής λαιμού Ταυτόχρονα, από τη δύναμη που παριστάνεται με το ύψος ΔΔ' υπολογίζεται το όριο θραύσης - Επίσης εκλέγουμε και το σημείο Γ ( Τέλος αποφόρτισης ) - Διαβάζουμε από το διάγραμμα τα F, Δℓ όλων των παραπάνω σημείων - Υπολογίζουμε τα αντίστοιχα σ, ε, με τον τρόπο που εξηγεί η παραγ 32 - Τοποθετούμε τα σ, ε σε νέο διάγραμμα - Διαβάζουμε από το νέο διάγραμμα το όριο ροής και το όριο θραύσης, όπως εξηγεί η παραγ 34 - Βρίσκουμε το μέτρο ελαστικότητας, το ποσοστό συνολικής επιμήκυνσης μέχρι τη θραύση, και το έργο που απορρόφησε το δοκίμιο λόγω πλαστικής παραμόρφωσης μέχρι να σπάσει Εργαζόμαστε όπως εξηγεί η παραγ 34 - Αναφέρουμε ρητά, στο τέλος του κειμένου της τεχνικής έκθεσης, τις τιμές: του ορίου ροής, του ορίου θραύσης, του μέτρου ελαστικότητας, του ποσοστού συνολικής επιμήκυνσης μέχρι τη θραύση και του έργου που απορροφάται με την πλαστική παραμόρφωση Για την καθαρογραφή της τεχνικής έκθεσης του εφελκυσμού μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε υπόδειγμα που δίνεται στις δύο επόμενες σελίδες
Υπόδειγμα τεχνικής έκθεσης εφελκυσμού Τεχνική Έκθεση στο πείραμα του εφελκυσμού Ονοματεπώνυμο: Τμήμα: Ημερομηνία: 1 Πειραματική διαδικασία Εκτελέσθηκε η τυποποιημένη διαδικασία εφελκυσμού, κατά το πρότυπο ΕΝ 10002, με - - - Εικ1 Μορφή του δοκιμίου 2 Υπολογισμοί, διάγραμμα τάσης σχετικής παραμόρφωσης, έργο Το διάγραμμα δύναμης F απόλυτης παραμόρφωσης Δℓ που καταγράφηκε στη διάρκεια του πειράματος, δίνεται στη μεθεπόμενη σελίδα Από τις τιμές της δύναμης F και της απόλυτης παραμόρφωσης Δℓ σε χαρακτηριστικά σημεία του διαγράμματος F Δℓ, υπολογίζονται οι τιμές της τάσης σ και της σχετικής παραμόρφωσης ε, που δίνονται στον παρακάτω πίνακα Σημείο Δύναμη F [N] Απόλυτη παραμόρφωση Δℓ [mm] Σ1 Σ2 Σ3 0 0 Τάση σ = F/Aο [N/mm²] Σχετική παραμόρφωση ε = Δℓ/Lαρχ [ ] 0 0 (Ισχύει Αο = (π/4)*16² mm² και Lαρχ = 99mm σύμφωνα με τις διαστάσεις του δοκιμίου μας) Από τις τάσεις και σχετικές παραμορφώσεις που αναφέρονται στον παραπάνω πίνακα, σχεδιάζεται το διάγραμμα τάσης-σχετικής παραμόρφωσης (διαγρ σ-ε) που δίνεται στη σελ
Υπόδειγμα Τεχνικής έκθεσης εφελκυσμού, συνέχεια Για τον υπολογισμό του έργου που απορροφάται με την πλαστική παραμόρφωση δημιουργούμε τον παρακάτω πίνακα Σημείο F [N] Σ2 Σ3 Σ4 Δℓ [m] Fm = =(Fi+Fi+1)/2 [N] Δx= = Δℓi+1 Δℓi [m] Wi = Fm * Δx [J] Συνολικό έργο 3 Σύνοψη αποτελεσμάτων Από το διάγραμμα σ-ε της σελ προκύπτει ότι για το εξεταζόμενο μέταλλο: -το όριο ροής είναι ReH = N/mm² -το όριο θραύσης είναι Rm = Ν/mm² Re Ν/mm² -το μέτρο ελαστικότητας είναι Ε = -------- = ----------------- = Ν/mm² εe Από μέτρηση του σπασμένου δοκιμίου προκύπτει ότι το ποσοστό συνολικής επιμήκυνσης μέχρι τη θραύση είναι Lu Lο mm mm Α = ----------- * 100% = ----------------------- * 100% = % Lο mm Το έργο που απορροφάται με την πλαστική παραμόρφωση, όπως προέκυψε από τους υπολογισμούς του προηγούμενου κεφαλαίου, είναι W = J
4 Μεταλλουργική κατάσταση και μεταλλογραφία των χαλύβων 41 Χάλυβες και οι βασικές τους ιδιότητες α) Ορισμός Χάλυβας = κράμα Fe-C με περιεκτικότητα έως 2% C (συνήθως έως 1,5% C) β) Συγκολλησιμότητα Έως 0,25% σε C: συγκολλήσιμοι χάλυβες (Για να ονομασθεί συγκολλήσιμος, ο χάλυβας πρέπει να μην βάφεται, δηλ να μη σχηματίζει σκληρό και εύθραυστο μαρτενσίτη Για τον μαρτενσίτη και τη βαφή βλ παρακάτω) γ) Σκληρότητα του χάλυβα Όσο περισσότερο άνθρακα έχει ένας χάλυβας, και όσο μεγαλύτερη ήταν η ταχύτητα ψύξης του την ώρα που παραγόταν το μέταλλο, τόσο μεγαλύτερη είναι η σκληρότητά του Δεν είναι σωστό να επιδιωχθεί σκληρότητα μεγαλύτερη από κάποιο όριο, επειδή τότε το υλικό χάνει την ικανότητά του για πλαστική παραμόρφωση Γίνεται εύθραυστο, ευαίσθητο σε ρωγμές Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε τις χρήσεις σιδηρούχων υλικών ανάλογα με την περιεκτικότητά τους σε άνθρακα π(c): - Αντικείμενα που διαμορφώνονται με πλαστική παραμόρφωση κατασκευάζονται από χάλυβα με π(c) έως 0,1% - Συγκολλητές κατασκευές (όπως στη ναυπηγική, στα χαλύβδινα οικοδομικά έργα, στους γερανούς, στη λεβητοποιία κά) κατασκευάζονται από χάλυβα με π(c) από 0,2% έως 0,25% - Εξαρτήματα μηχανών κατασκευάζονται από χάλυβα με π(c) από 0,4% έως 0,6% (Έτσι επιτυγχάνεται αρκετή σκληρότητα, άρα και αντοχή του υλικού, χωρίς να υποβαθμισθεί σε επικίνδυνο βαθμό η πλαστικότητά του) - Περιεκτικότητα σε άνθρακα από 0,7% έως 1,5% χρησιμοποιείται μόνο σε κοπτικά εργαλεία (απαιτείται μεγάλη σκληρότητα, η περιορισμένη πλαστικότητα δεν εμποδίζει τη χρήση του υλικού σε κοπτικά) - Για περιεκτικότητα σε άνθρακα έως 2,0%, το υλικό χαρακτηρίζεται χάλυβας, ενώ για μεγαλύτερη από 2,0% χυτοσίδηρος Στην πράξη όμως η περιεκτικότητα σε άνθρακα των χαλύβων είναι έως 1,5% Εικ 41 Χρήση των σιδηρούχων υλικών ανάλογα με την περιεκτικότητά τους σε άνθρακα
42 Κόκκοι του υλικού Γιατί τα υλικά είναι πολυκρυσταλλικά: Επειδή την ώρα που το τήγμα του υλικού στερεοποιείται, δημιουργούνται κρύσταλλοι (=κόκκοι) από πολλούς πυρήνες κρυσταλλώσεως που αυξάνονται όλοι μαζί ταυτόχρονα Όσο αυξάνονται, συναντούν άλλους γειτονικούς κόκκους και τέλος συνενώνονται σε ένα ενιαίο υλικό Στον χώρο που καταλαμβάνει ένας κόκκος, τα άτομα είναι τακτοποιημένα σε ένα ορισμένο (παντού το ίδιο) κρυσταλλικό πλέγμα Η ζώνη όπου ενώνονται δύο γειτονικοί κόκκοι (ή αλλοιώς όριο μεταξύ των κόκκων ) είναι μια μεταβατική ζώνη και δεν ανήκει γεωμετρικά ούτε στον ένα ούτε στον άλλο κόκκο τ τ 1 (α) 2 Ορ 3 3 1 (β) 2 1 3 (γ) Ορ 2 Εικ 42 Δημιουργία πολυκρυσταλλικού υλικού κατά τη στερεοποίηση ενός τήγματος (α), (β), (γ): Τρία στάδια της στερεοποίησης (1), (2), (3)=τρείς διαφορετικοί κρύσταλλοι, (τ)=τήγμα (λιωμένο μέταλλο), (Ορ)=όρια κρυστάλλων (ή κόκκων ) Το όριο μεταξύ των κόκκων έχει πάχος δύο ή τριών ατόμων Τα άτομα του ορίου έχουν μεγαλύτερη χημική δραστικότητα από τα άτομα στο εσωτερικό του κόκκου, άρα το όριο των κόκκων προσβάλλεται εντονότερα και εμφανίζεται στο μικροσκόπιο ως μία σκούρη γραμμή που διαχωρίζει δύο γειτονικούς κόκκους Είναι προτιμότερο οι κόκκοι να είναι πολλοί και μικρού μεγέθους (λεπτόκοκκο μέταλλο), γιατί τότε αυξάνεται η αντοχή του μετάλλου Το μικρό μέγεθος των κόκκων το πετυχαίνουμε πχ με μεγάλη ταχύτητα ψύξης την ώρα της στερεοποίησης Αν αντίθετα ένα ήδη στερεό μέταλλο εκτεθεί για μεγάλο χρονικό διάστημα σε υψηλή θερμοκρασία, κάποιοι κόκκοι αυξάνονται εις βάρος των γειτονικών τους, το μέταλλο μετατρέπεται σε χονδρόκοκκο και χάνει ένα μέρος της μηχανικής του αντοχής Εύρεση του μέσου μεγέθους κόκκων: Τραβάμε μια τυχαία ευθεία γραμμή πάνω σε μεταλλογραφική φωτογραφία του υλικού, μετρούμε το μήκος της, και βλέπουμε πόσους κόκκους διασχίζει Ισχύει: Μήκος γραμμής (στο δοκίμιο πριν τη μεγέθυνση) Μέσο μέγεθος κόκκου = --------------------------------------------------------------Αριθμός των κόκκων που διασχίζει η γραμμή
43 Αναγνώριση βασικών σχηματισμών από τις εικόνες που βλέπουμε στο μικροσκόπιο Φάση λέγεται μία περιοχή του υλικού που σε όλα τα σημεία της το υλικό έχει τις ίδιες ιδιότητες Ο χώρος που καταλαμβάνει μία φάση φαίνεται στο μικροσκόπιο σαν μία ενιαία περιοχή Στο σύστημα σιδήρου-άνθρακα (συμβολικά Fe-C, περιλαμβάνει τους χάλυβες και τους χυτοσιδήρους) υπάρχουν διάφορες φάσεις και σχηματισμοί: - φερρίτης ή α-fe (υπάρχει σε χαμηλή θερμοκρασία, δεν διαλύει σχεδόν καθόλου άνθρακα) - ωστενίτης ή γ-fe (υπάρχει σε υψηλή θερμοκρασία (πάνω από 723 C), μπορεί να διαλύσει αρκετό άνθρακα (έως 1,7%), διαφέρει από τον φερρίτη στον τρόπο τακτοποίησης των ατόμων μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα) - μαρτενσίτης (Όταν ωστενίτης με διαλυμένο αρκετό άνθρακα ψυχθεί πολύ απότομα, δεν προλαβαίνει να μετατραπεί σε φερρίτη, ούτε προλαβαίνει ο άνθρακας να αποβληθεί από το στερεό διάλυμα Σ' αυτή την περίπτωση ο ωστενίτης μετατρέπεται σε μαρτενσίτη Ο μαρτενσίτης είναι σκληρός και εύθραυστος, εάν προέρχεται από χάλυβα με περιεκτικότητα σε άνθρακα πάνω από 0,25% κβ Συνθήκες ψύξης: το ερυθροπυρωμένο τεμάχιο (πάνω από 723 C, ίσως και πάνω από 800 C) το ρίχνουμε σε νερό Η κατεργασία αυτή λέγεται βαφή, και το υλικό που παράγεται λέγεται βαμμένος χάλυβας) - σεμεντίτης ή Fe3C (στην τυπική περίπτωση εμφανίζεται ως λεπτά φύλλα Σ' αυτόν τοποθετείται ο άνθρακας που δεν μπορεί να διαλυθεί στον φερρίτη, αρκεί να είναι αργή η ψύξη του μετάλλου) - γραφίτης (σκέτος άνθρακας Τον συναντούμε σε χυτοσιδήρους Ο άνθρακας ο διαλυμένος στο τήγμα (όχι στον στερεό ωστενίτη) μπορεί να σχηματίσει είτε γραφίτη είτε Fe3C, ανάλογα με τις προσμίξεις) - Ο σχηματισμός φερρίτης + σεμεντίτης σε λεπτά πυκνά φύλλα είναι ο λεγόμενος περλίτης Παράγεται όταν η ψύξη του υλικού είναι πολύ αργή Η αναλογία φερρίτη-σεμεντίτη είναι τέτοια ώστε ο σχηματισμός να έχει στο σύνολό του 0,8% κβ άνθρακα - Ο σχηματισμός φερρίτης σε μορφή χτένας ή φτερού + σεμεντίτης + περιβάλλουσα φάση είναι ο λεγόμενος μπαινίτης Παράγεται όταν η ψύξη του υλικού πραγματοποιείται με αρκετή ταχύτητα (Η περιβάλλουσα φάση μπορεί να είναι ωστενίτης που δεν πρόλαβε να μετασχηματισθεί (υπολειπόμενος ωστενίτης) ή μαρτενσίτης Λεπτομέρειες δίνονται παρακάτω, στην παραγ 45) - Ο σχηματισμός φερρίτης + διάσπαρτα σφαιρίδια σεμεντίτη είναι ο λεγόμενος επιβελτιωμένος χάλυβας Παράγεται από υλικό που περιέχει μαρτενσίτη (δηλ από βαμμένο χάλυβα), αν θερμανθεί πχ σε 600ºC για 6 h (ανόπτηση επαναφοράς του βαμμένου χάλυβα) Το υλικό χάνει ένα μέρος από τη σκληρότητα του βαμμένου χάλυβα, αλλά κερδίζει σημαντικά σε δυσθραυστότητα (φθάνει σε δυσθραυστότητα μεγαλύτερη απ' αυτή που είχε πριν τη βαφή) Όλες αυτές οι φάσεις και σχηματισμοί του χάλυβα φαίνονται σε μικροσκόπιο, μετά από κατάλληλη προετοιμασία μεταλλογραφικού δοκιμίου, όπως δείχνουν οι παρακάτω εικόνες
Εικ 43 Μεταλλογραφική εικόνα άβαφων υποευτηκτοειδών χαλύβων ( Υποευτηκτοειδής λέγεται ένας χάλυβας με περιεκτικότητα σε άνθρακα κάτω από 0,8% κατά βάρος) Μέσα σε μία μήτρα (ή αλλοιώς περιβάλλουσα φάση ) από φερρίτη (άσπρη περιοχή) εμφανίζονται σκούρες νησίδες που είναι περλίτης Όσο μεγαλύτερη είναι η περιεκτικότητα σε άνθρακα, τόσο μεγαλώνει η έκταση των νησίδων του περλίτη, και σε περιεκτικότητα 0,80% C το υλικό αποτελείται όλο από περλίτη Άρα με βάση αυτή την εικόνα μπορούμε μέσω της μεταλλογραφίας να διαπιστώσουμε τη χημική σύσταση ενός χάλυβα Εικ 44 Φερρίτης (άσπρη φάση) και περλίτης (σκούρες νησίδες) σε χάλυβα με 0,3% C Προσβολή με nital Εικ 45 Μονοφασικό υλικό, π χ σίδηρος με άνθρακα σχεδόν 0%
Εικ 46 Μεταλλογραφική εικόνα περλίτη, όπως παρατηρείται σε χάλυβα με 0,8% C μετά από χημική προσβολή με picral 4% Εικ 47 Μεταλλογραφική εικόνα μπαινίτη μετά από χημική προσβολή με picral 4% + nital 2% Οι επόμενες τρεις εικόνες δείχονουν τη μεταλλογραφική εμφάνιση του μαρτενσίτη (αυτός είναι η φάση που προκαλεί τη σκλήρυνση του βαμμένου χάλυβα) Υπάρχουν δύο μορφές μαρτενσίτη: - μαρτενσίτης σε φύλλα (lath martensite), όπως στην εικ 48, ο οποίος σχηματίζεται σε χάλυβες με περιεκτικότητα σε άνθρακα έως 0,6% - μαρτενσίτης σε πλάκες ή βελόνες (plate martensite ή acicular martensite), όπως στις εικ 49, 410, ο οποίος σχηματίζεται σε χάλυβες με περιεκτικότητα σε άνθρακα μεγαλύτερη από 1,0% Στις ενδιάμεσες περιεκτικότητες σε άνθρακα σχηματίζεται μίγμα των δύο μορφών Εικ 48 Μαρτενσίτης σε φύλλα, σε χάλυβα με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα Προσβολή με nital 2% Παρατηρούμε ότι το υλικό χωρίζεται σε περιοχές, που η κάθε μία είναι γεμάτη με γραμμές παράλληλες μεταξύ τους Η κάθε περιοχή ήταν αρχικά ένας κόκκος ωστενίτη Η κάθε μαύρη γραμμή είναι ένα φύλλο μαρτενσίτη
Εικ 49 Μαρτενσίτης σε πλάκες (μαύρες γραμμές), σε χάλυβα με 0,8% C βαμμένο σε νερό Οι άσπρες περιοχές ανάμεσα στις μαύρες γραμμές είναι υπολειπόμενος ωστενίτης Χημική προσβολή με μεταδιθειώδες νάτριο (sodium metabisulfite) 10% Εικ 410 Μαρτενσίτης σε πλάκες (γκρί), σε χάλυβα με 1,4% C Οι άσπρες περιοχές είναι υπολειπόμενος ωστενίτης Οι μαύρες γραμμές που διακόπτουν τους γκρί κρυστάλλους του μαρτενσίτη είναι ρωγμές Οι κρύσταλλοι μαρτενσίτη (πλάκες) που φαίνονται στις εικ 49, 410 έχουν αρκετά μεγάλο πάχος, σε αντίθεση με τον μαρτενσίτη σε φύλλα της εικ 48 Αυτές οι πλάκες ονομάζονται επίσης βελόνες, γιατί έτσι φαίνονται σε τομή Στην πραγματικότητα ο κάθε κρύσταλλος μαρτενσίτη έχει σχήμα κόκκου φακής Στο υλικό της εικ 49 υπάρχει περισσότερος μαρτενσίτης (σε αναλογία κατ' όγκο) από ό,τι στο υλικό της εικ 410 Η διαφορά οφείλεται στις οι συνθήκες βαφής των δύο υλικών Η διαφορά χρώματος (μαρτενσίτης χρώματος μαύρου στην εικ 49 και γκρι στην εικ 410) ίσως οφείλεται σε διαφορά στα αντιδραστήρια με τα οποία έγινε η χημική προσβολή Εικ 411 Μεταλλογραφική εικόνα επιβελτιωμένου χάλυβα Κατά τη βαφή του είχε σχηματισθεί μαρτενσίτης σε πλάκες Μετά την επαναφορά του εμφανίζονται μικρά σφαιρίδια σεμεντίτη και άλλων καρβιδίων, όπως δείχνει η εικόνα Χημική προσβολή με picral 4% + nital 2%
Η εικ 412 παρακάτω δείχνει ποιες φάσεις ή σχηματισμοί εμφανίζονται σε ένα σιδηρούχο υλικό, ανάλογα με τη θερμοκρασία και την περιεκτικότητά του σε άνθρακα (Περιλαμβάνονται μόνο οι φάσεις που σχηματίζονται μετά από αργή ψύξη, και γι' αυτό η εικ 412 δεν περιλαμβάνει τον μαρτενσίτη ή τον μπαινίτη) Εικ 412 Διάγραμμα φάσεων του συστήματος σιδήρου σεμεντίτη (Fe Fe3C) α = σίδηρος α ή φερρίτης, γ = σίδηρος γ ή ωστενίτης, Fe3C = σεμεντίτης, L = υγρό (δηλ λιωμένο μέταλλο) Ο περλίτης είναι μίγμα α + Fe3C σε λεπτά φύλλα, που παράγεται όταν κρυώσει σίδηρος γ με 0,8% C κάτω από τη θερμοκρασία των 723ºC
Η εικ 413 παρακάτω δείχνει πόσο χρόνο πρέπει να μείνει το υλικό σε κάποια θερμοκρασία ώστε να μετασχηματισθεί από ωστενίτη σε άλλες μορφές Πιο αναλυτικά: Εννοείται ότι αρχικά το υλικό βρίσκεται σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία (υψηλότερη από αυτήν που αντιστοιχεί στο σημείο Α) ώστε το υλικό να βρίσκεται σε κατάσταση ωστενίτη Αν κατόπιν το φέρουμε σε ενδιάμεση θερμοκρασία (πχ αυτήν του σημείου Β), πρέπει να το διατηρήσουμε σ' αυτήν για αρκετό χρόνο ώστε να μετασχηματισθεί ο ωστενίτης Τα σημεία Γ και Δ δείχνουν τον χρόνο που χρειάζεται για να αρχίσει και να τελειώσει ο μετασχηματισμός Αν το υλικό ψυχθεί απότομα σε θερμοκρασία κάτω από την Ms, παθαίνει βαφή, δηλ μέρος του ωστενίτη μετατρέπεται σε μαρτενσίτη Η απότομη ψύξη σημαίνει ότι το υλικό παραμένει στη θερμοκρασία 450 600 ºC για χρόνο λιγότερο από αυτόν που χρειάζεται για να μετασχηματισθεί σε περλίτη Όσο χαμηλότερα από την Ms κατεβεί η θερμοκρασία, τόσο περισσότερος μαρτενσίτης σχηματίζεται Το διάγραμμα που δίνεται στην εικ 413 λέγεται διάγραμμα ισόθερμου μετασχηματισμού (επειδή περιγράφει μετασχηματισμούς υπό σταθερή θερμοκρασία) ή διάγραμμα ΤΤΤ (Time Temperature Transformation, δηλ χρόνου θερμοκρασίας μετασχηματισμού) Το διάγραμμα που δίνεται ισχύει για χάλυβα με 0,8% C, και για κάθε χημική σύσταση πρέπει να βρεθεί διαφορετικό διάγραμμα Το διάγραμμα επηρεάζεται σημαντικά από την περιεκτικότητα του υλικού σε προσμίξεις (όχι μόνο από τον άνθρακα αλλά και από τις μεταλλικές προσμίξεις που χρησιμοποιούνται για αύξηση της αντοχής) Με πολλή συντομία μπορούμε να πούμε ότι, σύμφωνα με το διάγραμμα ΤΤΤ: ο περλίτης σχηματίζεται όταν η ψύξη του υλικού είναι αργή, ο μπαινίτης όταν εφαρμόζεται μεσαία ταχύτητα ψύξης, και ο μαρτενσίτης όταν η ψύξη είναι απότομη Α Β Δ Γ Εικ 413 Διάγραμμα ΤΤΤ (χρόνου θερμοκρασίας μετασχηματισμού) για χάλυβα με 0,8% άνθρακα