Autorid: Priit Kulu Jakob Kübarsepp Enn
Hendre Tiit Metusala Olev
TapupereMaterjalid
Tallinn 2001
© P.Kulu, J.Kübarsepp, E.Hendre, T.Metusala, O.Tapupere; 2001 SISUKORD
SISSEJUHATUS ................................................................................................................................................ 4
1. MATERJALIÕPETUS.............................................................................................................................. 5 1.1. Materjalide struktuur ja omadused ...................................................................................................... 5 1.1.1. Materjalide
aatomstruktuur ........................................................................................................... 5 1.1.2. Materjalide omadused .................................................................................................................. 6 1.2.
Metalsed materjalid ........................................................................................................................... 14 1.2.1. Rauasüsinikusulamid ................................................................................................................. 14 1.2.2.
Alumiinium ja
alumiiniumisulamid .............................................................................................. 30 1.2.3. Vask ja
vasesulamid ................................................................................................................... 33 1.2.4.
Nikkel ja niklisulamid .................................................................................................................. 35 1.2.5.
Titaan ja
titaanisulamid ............................................................................................................... 36 1.2.6.
Magneesium ja
magneesiumisulamid ........................................................................................ 36 1.2.7.
Tsink , plii, tina ja nende
sulamid ................................................................................................ 37 1.2.8. Metallide markeerimine .............................................................................................................. 38 1.3. Mittemetalsed materjalid.................................................................................................................... 40 1.3.1.
Tehnoplastid ............................................................................................................................... 40 1.3.2.
Tehnokeraamika ......................................................................................................................... 43 1.4.
Komposiitmaterjalid ........................................................................................................................... 46 1.4.1.
Komposiitmaterjalide struktuur ja liigitus .................................................................................... 46 1.4.2.
Metallkomposiitmaterjalid ........................................................................................................... 47 1.4.3.
Plastkomposiitmaterjalid ............................................................................................................. 47 1.4.4.
Keraamilised komposiitmaterjalid............................................................................................... 48 1.4.5. Süsinikkomposiitmaterjalid ......................................................................................................... 48
2. METALLIDE
TEHNOLOOGIA ............................................................................................................... 49 2.1.
Metallurgia ......................................................................................................................................... 49 2.2.
Valutehnoloogia ................................................................................................................................. 49 2.2.1. Liigitus ........................................................................................................................................ 49 2.2.2. Metallide valuomadused............................................................................................................. 50 2.2.3. Valu kordkasutusega
vormidesse .............................................................................................. 51 2.2.4. Valu korduvkasutusega vormidesse .......................................................................................... 53 2.3. Survetöötlus....................................................................................................................................... 54 2.3.1. Liigitus ........................................................................................................................................ 54 2.3.2. Metallide survetöödeldavus........................................................................................................ 54 2.3.3. Survetöötlemise mahtvormimisprotsessid.................................................................................. 55 2.3.4. Survetöötluse lehtvormimisprotsessid........................................................................................ 57 2.4.
Keevitamine ,
jootmine , termolõikamine ja -
pindamine ...................................................................... 59 2.4.1. Keevitusprotsesside
liigitamine .................................................................................................. 59 2.4.2. Metallide
keevitatavus ................................................................................................................ 59 2.4.3. Tähtsamad keevitusmeetodid .................................................................................................... 60 2.4.4. Jootmine ..................................................................................................................................... 64 2.4.5. Termolõikamine ja -pindamine ................................................................................................... 64 2.5. Lõiketöötlemine ................................................................................................................................. 65 2.5.1. Lõikeprotsessi üldpõhimõtted..................................................................................................... 65 2.5.2. Lõikamise põhiprotsessid ........................................................................................................... 66 2.5.3. Mittetraditsioonilised töötlusmeetodid ........................................................................................ 71 2.6.
Pulbermetallurgia ............................................................................................................................... 72 2.6.1. Pulbertoodete valmistamine ....................................................................................................... 72 2.6.2. Pulbermaterjalid ......................................................................................................................... 73
3.
ELEKTRIMATERJALID ......................................................................................................................... 74 3.1. Sissejuhatus ...................................................................................................................................... 74 3.2. Dielektrikud ........................................................................................................................................ 74 3.2.1. Dielektrikute põhiomadused ....................................................................................................... 74 3.2.2.
Isoleermaterjalid ja nende kasutusala........................................................................................ 78 3.3.
Pooljuhid ............................................................................................................................................ 83 3.4. Elektrijuhid ......................................................................................................................................... 84 3.5.
Magnetmaterjalid ............................................................................................................................... 85 SISSEJUHATUS
Kõik, mis meid ümbritseb, koosneb ainetest. Miks ühe saega saab saagida isegi metalli, aga
Eestikeelne sõna materjal tuleneb ladinakeelsest teine nürineb juba kõva tammepuu
saagimisel ?
sõnast materia, mis tähendabki ainet. Milline terasemark võtta, kui jalgratta esirattale oleks Materjalid, mis on pärit loodusest endast, on vaja treida uus võll? Kui kõrget temperatuuri kanna-
looduslikud materjalid. Inimene kasutab neid, kui tab elektrimootori mähise
isolatsioon ? Mille poolest
vaja, oma huvides, ent ta on loonud väga palju erineb
malm terasest ?
materjale ka ise selliste omadustega, nagu ühe või Mistahes materjali omadused olenevad
teise asja jaoks on tarvis. Tehnikas kasutatavad kõigepealt tema koostisest, struktuurist ja
saamis -
materjalid tehnomaterjalid ongi enamikus nii- viisist.
sugused materjalid. Materjaliõpetus, mis moodustab käesoleva Masinates ja aparaatides, mistahes
tehno - õpperaamatu esimese osa, käsitleb peamiselt seda,
seadmetes ja -riistades on peamised materjalid missugune on eri materjalide liigitus, nende koostis
metallid,
plastid , keraamilised ja komposiitmaterjalid. ja struktuur, kuidas sellest oleneb materjali tugevus
Nendre liike ja
sorte on väga palju. Enam levinumalt ja teised omadused. Teine osa on metallide
kasutatakse näiteks vähemalt 400 sorti terast ja tehnoloogia, milles vaadeldakse metallide ja nende
malmi, samapalju värvilismetallide
sulameid , üle 200 sulamite tootmist, töötlemisviise ja otstarbekat
liigi plaste, 50 keraamilise materjali liiki jne. rakendamist. Kolmandas osas on vaatluse all
Elektriliste seadete puhul on tegu elektrimaterjalide, elektrimaterjalid.
joodiste , pooluhtidega, optikariistade puhul optilise Raamat "Materjalid" on mõeldud nii
klaasiga jms. õppurile, praktikule kui ka õpetajale, sisaldab Et tehnikaasjust aru saada, tuleb materjale rohkesti illustratsioone (selesid) ja ka asjaomast
tunda. käsiraamatulikku andmestikku, mida eestikeelses kirjanduses pole või on vähe leida.
Tänapäeva automaatfotoaparaat. See on mehhatrooniline seade, milles on ühitatud
mehaanika , elektroonika,
optika ja infotehnoloogia ning mis sisaldab palju erisuguseid tehnomaterjale
-4- 1. MATERJALIÕPETUS
AatomituumProoton 1.1. Materjalide struktuur ja omadused
Neutron1.1.1. Materjalide aatomstruktuur
Kõikide
tehnomaterjalide põhiliseks struktuuri-ühi-
kuks on
aatom , mis koosneb positiivselt laetud
tuumast ja seda ümbritsevast elektronkattest.
Aatomituum koosneb prootonitest ja
neutronitest ,
mille arv võrdub aatomnumbriga (järjenumbriga).
Aatommass määrab tahke aine e.
tahkise tiheduse,
elektrijuhtivuse, soojusmahtuvuse, mõjub aga vähe
selle tugevusomadustele. Aatomkristallilise või lihtsalt kristallilise
struk -
Elektron tuuri all mõeldakse aatomite (ioonide) omavahelist
paigutust reaalselt esinevas kristallis. Metallis paik-
nevad
aatomid kindla seaduspärasuse järgi, moo-
dustades korrapärase kristallivõre. Selline aatomite Sele 1.1. Aatomi ehitus
paigutus vastab aatomite
omavahelise mõju mini-
maalsele energiale (aatomite ideaalsele paigutusele). Kristallivõret iseloomustavad suurused a) võre periood teljesihiline aatomite vaheline
Kristalliline struktuur kaugus (on vahemikus 0,1...0,7 nm); b) võrebaas võreelemendi kohta
tulevate aatomite arv;
Aatomite paigutust kristallis võib kujutada
ruumiliste c) võre koordinatsiooniarv võreelemendi mis-
skeemide abil, nn. võreelementide näol. Võre- tahes aatomile lähimal ja võrdsel kaugusel ole-
elemendi all tuleb mõista vähimat aatomite komp- vate aatomite arv (on aluseks ka kristallivõrede
leksi, mille paljukordne kordumine ruumis jäljendab tähistamisel: kuupvõre koordinatsiooniarvuga
ruumilist kristallivõret. Võreelemendi
servade 8 - K8, koordinatsiooniarvuga 12 - K12 jne.);
pikkusest ja servadevaheliste nurkadest olenevalt d)
aatomiraadius (on vahemikus 0,05...3 nm);
eristatakse mitmeid kristallivõre tüüpe. e) võre kompaktsusaste võreelemendi kohta tulevate aatomite ruumala suhe võreelemendi
Kristallivõre tüübid ruumalasse.
Kristallivõred (võreelemendid) võivad olla
a) primitiivsed e. lihtsad aatomid paiknevad Polümorfism ainult võreelemendi sõlmpunktides (tippudes); Mõnedel metallidel on sõltuvalt temperatuurist enam
b) ruumkesendatud lisaks võreelemendi tippudes kui üks kristallivõre tüüp. Seda erinevate kristalli- olevaile aatomeile paikneb üks
aatom võre- võrede esinemist ühe metalli korral nimetatakse elemendi sees; polümorfismiks. Tuntumaks näiteks võib tuua raua
c)
tahkkesendatud lisaks võreelemendi tippudes ja titaani. Raua kristallivõre muutub temperatuuril olevaile aatomeile paiknevad aatomid iga tahu 911 °C ruumkesendatud kuupvõrest tahkkesen- keskel; datuks ja temperatuuril 1392 °C tagasi ruumkesen-
d) põhitahkkesendatud lisaks võreelemendi datuks. tippudes olevaile aatomeile paiknevad aatomid põhitahkude keskel. Eri kristallivõre tüüpides võib paikneda enam
Metall mittemetall
aatomeid kui neid
mahub kristallivõre sõlmpunkti-
desse. Enamikul kasutatavatel metallidel on kuubi- Metallid on ained, millel on tahkes olekus
line või heksagonaalne kristallivõre: iseloomulik läige, hea elektri- ja
soojusjuhtivus ning
- ruumkesendatud kuupvõre: Cr, Fe, Mn, Mo, tavaliselt ka hea
mehaaniline töödeldavus, suur V, W ;
plastsus ja
elastsus . Metallide omadused on
- tahkkesendatud kuupvõre: Ag, Al, Cu, Co, Cu, seletatavad aatomi tuumaga nõrgalt seotud vabade Fe, Ni, Pb, Pt, Sn; elektronide (valentselektronide) olemasoluga nende
- kompaktne heksagonaalvõre: Be, Cd, Co, Cr, kristallivõre aatomite välimises elektronkihis. Mg, Ti, Zn. Metallid loovutavad kergesti väliskihi elektrone, mis on omakorda mõjutatavad välise elektriväljaga,
andes korrapärase elektronide voolu ja hea elektrijuhtivuse. Metallide hulka kuulub keemilistest elementidest 80%,
kusjuures kõik metallid peale
-5- elavhõbeda on tavalisel temperatuuril
tahked ained Tabel 1.1. Elementide keemilised
(
tahkised ). sümbolid ja
aatomnumber Metallid ja sulamid liigitatakse koostise kahte
suurde gruppi - raud ja
rauasulamid (nende arvele Keemiline element Keemilise Aatomnumber
tuleb u. 95% kogu maailma metallitoodangust) ning elemendi e. järjenumber
mitteraudmetallid ja mitterauasulamid (tuntud tähis
värvilismetallide ja -sulamitena) need on kõik üle- Metallid (tahked)
jäänud metallid ja nende sulamid. Teisteks
liigituse Alumiinium Al 13
alusteks on tihedus (
kerg - ja
raskmetallid ning Hõbe Ag 47
sulamid),
sulamistemperatuur (kerg- ja
rasksulavad Kaltsium Ca 20
metallid ja sulamid), keemiline aktiivsus (vääris- ja
Koobalt Co 27
mitteväärismetallid). Tehakse vahet ka leelis-
Kroom Cr 24
metallide, leelismuldmetallide, haruldaste ja
haju -
Kuld Au 79
sate, radioaktiivsete jt. metallide vahel. Magneesium Mg 12
Mangaan Mn 25 Molübdeen Mo 42
1.1.2. Materjalide omadused Nikkel Ni 28
Materjalide
valikul ja nende kasutusalade määrat-
Plaatina Pt 78
lemisel pakuvad eelkõige huvi materjalide oma- Plii Pb 82
dused, mis on ühelt poolt määratud nende struk- Raud Fe 26
tuuriga,
teiselt poolt nende saamise ja neist detailide Tina Sn 50
valmistamise tehnoloogiaga. Materjalide omadused Titaan Ti 22
võib grupeerida füüsikalisteks, mehaanilisteks ja Tsink Zn 30
tehnoloogilisteks. Materjali kasutusomadusi iseloo-
Vanaadium V 23
mustavad talitlusomadused. Vask Cu 29
Volfram W 74 Metall (vedel)
Materjalide füüsikalised omadused Elavhõbe Hg 80
Poolmetallid Materjalide olulisemateks füüsikalisteks omadusteks
Antimon Sb 51
on tihedus ja sulamistemperatuur, mis on ka
Arseen As 53
materjalide, eelkõige metallide liigitamise aluseks. Mittemetallid (tahked)
Boor B 5
Tihedus
Fosfor P 15
Erinevad materjaligrupid (metallid, plastid,
keraa - Räni Si 14
mika ) erinevad eelkõige oma tiheduse poolest. Süsinik C 6 3
Tiheduse ühikuks on mahuühiku mass, kg/m . Väävel S 10 3
Plastidel on tihedus 1000...2000 kg/m , keraamikal Mittemetallid (gaasid) 3
1500...2500 kg/m , enamkasutatavatel metallidel
Argoon Ar 18 3
piires 1700...22 000 kg/m . Viimaste puhul erista- Hapnik O 8
takse tihedusest lähtuvalt kergmetalle ja -sulameid, Heelium He 2 3
mille tihedus on üle 5000 kg/m (liitium, berüllium, Kloor Cl 17
magneesium, alumiinium, titaan jt.), raskmetalle ja Lämmastik N 7 3
-sulameid, mille tihedus ületab 10 000 kg/m
Vesinik H 1
(plaatina, volfram, molübdeen, plii, tina jt.) ning
keskmetalle ja -sulameid (tihedus üle 5000 kuid alla 3
10 000 kg/m ). Tehnikas kasutatavaist metallidest
kergeimaks on magneesium, raskeimaks aga
plaatina.
Füüsikalised omadused Mehaanilised
Tehnoloogilised Talitlusomadused omadused omadused
Tihedus Tugevus Valatavus
Korrosioonikindlus Sulamistemperatuur Kõvadus Survetöödeldavus
Kulumiskindlus Soojuspaisumine Sitkus Lõiketöödeldavus Pinnaomadused Soojusjuhtivus Plastsus Termotöödeldavus
Tulekindlus Elektrijuhtivus Keevitatavus Soojuspüsivus
Magnetism Joodetavus Ohutus Keskkonnasõbralikkus
-6- Sulamistemperatuur Tabel 1.2. Materjalide tihedus
Temperatuuri, mil materjal läheb üle tardolekust
vedelasse, nimetatakse sulamistemperatuuriks (Ts), Metall , kg/m 3
vastupidiselt vedelast olekust tardolekusse üle- Plastid
mineku temperatuuri aga tardumis- või kristalli- Polüetüleen 950
satsioonitemperatuuriks (Tk). Metallid liigitatakse Akrüülplast 1100
sulamistemperatuuri järgi kergsulavaiks metallideks
Bakeliit 1300
ja sulameiks, mille sulamistemperatuur ei ületa plii Fluorplast
2200 oma, s.o. 327 °C (tina, plii, antimon, elavhõbe jt.),
Keraamika rasksulavaiks metallideks ja sulameiks, mille sula-
Tellis 1800
mistemperatuur ületab raua oma, s.o.
1539 °C Betoon
2300 (volfram,
tantaal , molübdeen,
nioobium , kroom, Portselan
2400 vanaadium, titaan jt.) ja kesksulavateks metallideks Klaas 2500
ja sulamiteks (sulamistemperatuur üle plii, kuid alla Metallid
raua sulamistemperatuuri). Kergmetallid Plastid jäävad sulamistemperatuuri poolest Magneesium 1750
alla metallidele, mistõttu enamike plastide lubatav Alumiinium
2700 töötemperatuur
piirdub 100 °C. Keraamika seevastu Titaan 4540
on aga kõrge
sulamistemperatuuriga , mistõttu seda Keskmetallid
kasutatakse sageli ka kuumuskindlate detailide Vanaadium 6100
valmistamiseks. Kroom 7200 Tsink 7140
Soojuspaisumine Tina 7290
Soojendamisel keha mõõtmed muutuvad. Harilikult Raud 7870
iseloomustatakse soojuspaisumist ruumpaisumis- Nioobium 8600
teguriga (vedelikud, gaasid) või joonpaisumis- Nikkel 8880
teguriga (tahkised). Soojuspaisumist tuleb arvestada Vask 8930
vedelike ja gaaside mahutite ja torustike, sildade, Raskmetallid
raudtee jm.
metallkonstruktsioonide korral, tempe- Molübdeen 10 200
ratuurimuutustest tingitud mõõtmete muutust ka Hõbe 10 500
masinaosade korral. Metallide ja sulamite joon- Plii 11 340
paisumistegur
varieerub väga suures vahemikus ja Elavhõbe 13 550
on sulamite korral määratud eelkõige keemilise Kuld 19 320
koostisega. Volfram 19 400 Plaatina 21 400
Soojusjuhtivus
Soojusjuhtivus iseloomustab soojuse kandumist
ühest osast teise paigalseisvas aines. Gaaside ja Tabel 1.3. Metallide sulamistemperatuur
vedelike soojusjuhtivust saab seletada molekulide
korrapäratute kokkupõrgetega, mille tagajärjel Metall Ts, °C
soojusliikumise energia kandub kõrgema tempe- Elavhõbe -39
ratuuriga
piirkonnast madalama temperatuuriga Kergsulavad
piirkonda. Tahkistes levib soojusliikumise energia nii Tina 232
omavahel
seostatud võresõlmede võnkumise kui ka Plii 327
vabade elektronide vahendusel. Kesksulavad Tsink 419
Elektrijuhtivus Antimon 631
Elektrijuhtivus on aine võime juhtida elektrivoolu. Magneesium 649
See on
ainetel , mis sisaldavad
vabu laetud osakesi Alumiinium 660
(elektrone või ioone). Elektrivälja mõjul hakkavad Hõbe 960
need osakesed korrapäraselt liikuma, tekitades Kuld 1064
elektrivoolu. Metallide hea elektrijuhtivus seletubki Vask 1083
peamiselt vabade elektronide olemasoluga. Aine Nikkel 1455
elektrijuhtivuse mõõduks on eritakistuse Raud 1539 -1
pöördväärtus (1/, mõõtühik (m) , mida nime- Rasksulavad
tatakse erijuhtivuseks. Erijuhtivuse järgi liigitatakse Titaan 1660
kõik ained elektrijuhtideks, pooljuhtideks või Plaatina 1773
dielektrikuteks. Kroom 1875 Vanaadium 1900 Molübdeen 2610 Volfram 3410
-7- Korrosioonikindlus sellest detaili oluliselt ei kahjustata, eristatakse
Korrosiooniks nimetatakse materjali ja keskkonna purustavaid ja mittepurustavaid katseid (teime).
(õhk, gaasid, vesi,
kemikaalid ) vahelist reaktsiooni,
milles materjal hävib. Metallide korral eristatakse Purustavad katsed (teimid)
keemilist korrosiooni, mida põhjustavad keemilised
reaktsioonid metallide ja agressiivsete gaaside või
vedelike vahel, ja elektrokeemilist korrosiooni, mida Materjalide purustava katse tagajärjel purustatakse
põhjustavad elektrokeemilised reaktsioonid (anoodi- detail või selle materjalist valmistatud (valatud,
ja katoodiprotsessid) metalli ja elektrolüüdi kokku- pressitud, lõiketöödeldud)
spetsiaalsed katsekehad
puutepinnal. Metallide korrosioonist tingitud
kahjude teimikud. Metalsete materjalide korral on põhi-
korvamiseks kulub umbes 10% metalli aasta-
listeks katsetusviisideks tõmbeteim (teras jt.
plast -
toodangust. Korrosioonikindlamad on keraamilised sed metallid), surve- ja
paindeteim (malm, kõva-
materjalid ja plastid.
sulam jt.
haprad metallid) löökpaindeteim, vahel ka väändeteim. Plastide korral kasutatakse tõmbeteimi, läbipaindetemperatuuri teimi, surveteimi, roometeimi
Kulumiskindlus ja löökpaindeteimi. Siinjuures erinevad teimitingi-
Kulumine on protsess, mis toimub pindade hõõrdu- mused metallide ja plastide korral.
misel, mille tagajärjel pinnalt eraldub materjali ja/või Käsiraamatuis esitatavad andmed materjalide
suureneb keha jääkdeformatsioon. Seega muutu- mehaaniliste omaduste kohta on põhiliselt määratud
vad kulumisel pidevalt detailide mõõtmed, suureneb tõmbeteimi tulemuste põhjal.
detailide viskumine ja müra, tekib kloppimine ning
masinat pole võimalik edasi kasutada. Kasutamise Tõmbeteim
seisukohalt on kulumine kahjulik nähtus, mida Vastavalt standardile EVS-EN
10002 -1 (Metall-
püütakse vähendada kulumiskindlate materjalide, materjalid. Tõmbeteim) määratakse tõmbeteimiga
pinnete või
sobivate määrdeainete kasutamisega materjali tugevus- ja plastsusnäitajad.
või muul viisil.
Materjalide mehaanilised omadused
Materjali vastupanu deformeerimisele ja
purune -
misele iseloomustavad materjalide mehaanilised
omadused: tugevus, kõvadus, plastsus ja sitkus. Tugevus on materjali võime purunemata
taluda koormust, ebaühtlast temperatuuri vm.
Metal -
lide tugevusnäitajateks on
voolavuspiir , tugevuspiir
jt. Eristatakse konstruktsioonitugevust, staatilist,
dünaamilist ja kestustugevust. Kõvadus on materjali võime vastu panna
kohalikule plastsele deformatsioonile. Tuntumad
kõvadusteimid (
Brinelli ,
Rockwelli ja
Vickersi meetod) põhinevad kõvast materjalist otsaku (inden-
tori ) surumisel uuritava materjali pinda. Plastsus on materjali võime purunemata
muuta talle rakendatud väliskoormuse mõjul oma
kuju ja mõõtmeid ning säilitada jäävat (plastset)
deformatsiooni pärast väliskoormuse lakkamist. Sitkus on materjali omadus koormamisel Sele 1.2. Tõmbeteimikute kuju
taluda (enne purunemist) olulist deformeerimist.
Sitkuse
vastupidine omadus on
haprus . Katsetamisel tõmbele määratakse tugevus- Sõltuvalt tööolukorrast (koormamise viisist) näitajatest:
eristatakse staatilisel, dünaamilisel ja tsüklilisel a) tõmbetugevus Rm, see on maksimaaljõule Fm
koormamisel määratavaid mehaanilisi omadusi. vastav mehaaniline pinge (sele 1.3) Põhilisteks staatilise katsetamise moodusteks
on tõmbeteim, surveteim, paindeteim, väändeteim ja Rm = Fm/So,
kõvadusteim. Metallide puhul on painde- ja väände- kus Fm - maksimaaljõud,
teim harva kasutatavad, mistõttu eelkõige tõmbe- So -
teimiku algristlõikepindala.
teimil (malmi korral ka surveteimil) määratavad b) voolavuspiir ReH (ülemine) ja ReL (alumine)
mehaanilised omadused on metallide valiku ja sele 1.3:
tugevusarvutuse aluseks. ReH - pinge väärtus, mille saavutamisel Lähtudes sellest, kas katsetatavast materjalist esmakordselt täheldatakse jõu vähenemist,
katsekeha (
teimik ) või sellest valmistatud detail ReL - pinge madalaim väärtus plastsel voolamisel.
purustatakse või katsetamise käigus materjali või
-8- c)
tinglik voolavuspiir Rp pinge, mille juures a) jääkpikenemine saavutab etteantud väärtuse Tõmbepinge protsentides, näiteks 0,2% tähis Rp0,2. 2 Tugevusnäitajate põhidimensioon on N/m , 2 tavaliselt kasutatakse N/mm (MPa). Plastsusnäitajatest määratakse katsetamisel Tõmbetugevus tõmbele (sele 1.4): Rm
a)
katkevenivus A% L - Lo A= 100 , ReH Lo Voolavuspiir ReL
kus Lo teimiku algmõõtepikkus, L teimiku lõppmõõtepikkus pärast purunemist;
Pikenemine b) katkeahenemine Z% So - S Z= 100 , So b)
kus So teimiku algristlõikepindala, Tõmbepinge S teimiku minimaalne ristlõikepindala katkemiskohas.
Kuna tõmbeteimil koormamise käigus teimiku
ristlõige väheneb, siis sel teel saadud voolavuspiiri
Rp, eriti aga tugevuspiiri Rm väärtused ei
kajasta tegelikke pingeid.
Tegelikud pinged erinevad seda
enam, mida plastsem on materjal. Kui habraste
materjalide korral võib Rm väärtusi vaadelda
mater - Rm Tõmbetugevus
jali tugevuse näitajatena (katkeahenemine Z on Rp0,2
väike), siis plastsete materjalide korral võib tugevus- Tinglik voolavuspiir
piiri Rm käsitleda kui vastupanu märgatavale plast-
sele deformatsioonile. Pikenemine
Löökpaindeteim 0,2%
Katsetamine löökpaindele on materjali sitkus-
näitajate määramise põhiline meetod. Sele 1.3. Tõmbediagrammid. a
plastne materjal, Katsetamine löökpaindele võimaldab otsus- b -
habras materjal
tada selle üle, kas materjalil on
kalduvus haprale
purunemisele. Katsetamine löökpaindele seisneb
keskelt soonitud ja mõlemast otsast toetatud teimiku
purustamises löökpendliga, määrates töö, mis kulub
teimiku
purustamiseks . Löögitugevuse (löögisitkuse)
näitajaks on purustamiseks kulunud töö dzaulides
(J). Vastavalt standardile EVS
10045 -1 (Metall-
materjalid. Löökpaindeteim Charpy meetodil) kasu- Mõõtepikkus
tatakse löökpaindeteimil kahe soonekujuga Algmõõte- peale pikkus L0 katkemist L
teimikuid:
- V-kujuline soon profiilinurgaga 45°, sügavus 2 mm,
soone ümardusraadius 0,25 mm,
- U-kujuline soon, sügavus 5 mm, soone põhja
ümardusraadius 1 mm. Katsetamine löökpaindele toimub löökpend-
liga. Pendli teele asetatakse teimik. Katsetamisel
tõstetakse
pendel ülemisse asendisse. Kui pendel
vabastatakse, langeb ta alla ja purustab teimiku.
Selleks kulutab osa pendli energiast. Sele 1.4. Katkevenivuse määramine
-9- Kulutatud energiat (teimiku purustamiseks 55 10 a
kulutatud tööd purustustööd) tähistatakse järg-
miselt: R 0,25
2
- KU on kulutatud töö U-soonega teimiku,
10
- KV on sama V-soonega teimiku puhul. Nii näiteks KV = 27 J tähendab
standardse V-
soonega teimiku purustustööd löökpendli löögi- 45
energia 300 J korral. Teistsuguse löögienergiaga
löökpendli korral lisatakse tähisele KU või KV pendli 55 10
löögienergiat näitav arv, standardsest erineva b
(kitsama) V-soonega teimiku korral ka selle laius. R 1,0 Plastsete materjalide puhul on eriti ohtlik
10
habras
purunemine . Üldjuhul algab see märkamatult
5
pingetel, mis on tunduvalt madalamad mitte ainult
tugevuspiirist, vaid ka voolavuspiirist ja kulgeb suure Sele 1.5. Löökpaindeteimikute kuju
kiirusega, olles paljude avariide põhjuseks. Materjali
vastupanu haprale purunemisele on üks põhilisi
konstruktsiooni töökindluse näitajaid. Materjali üle-
minek plastsest olekust haprale sõltub paljudest
mõjuritest: ühelt poolt sulamist endast (kristallivõre
tüüp, keemiline koostis,
tera suurus, lisandid jt.);
teiselt poolt konstruktsiooni iseärasustest ja töö-
tingimustest (pingekontsentraatorite olemasolu, töö-
temperatuur jt.). Katsetamine löökpaindele on üks tundliku- l H
maid katsetamise viise. Kui materjal peab töötama a1
madalatel
temperatuuridel , siis katsetatakse ka a2
madalatel temperatuuridel. Seda tingib asjaolu, et
mõningate materjalide sitkus väheneb temperatuuri
langedes järsult. Materjali hapruse
suurenemist h
(sitkuse vähenemist) madalatel temperatuuridel m
nimetatakse külmahapruseks. Enamik konstruktsioonimaterjale (teraseid)
kalduvad haprale purunemisele temperatuuri lange-
des. Hapra purunemise temperatuur külmahaprus-
lävi TKHL on materjali üheks olulisemaks tugevuse
kriteeriumiks. Enamiku haprale purunemisele kaldu-
vate teraste korral toimub üleminek sitkelt purune-
miselt haprale temperatuuriintervallis +20...-20 °C
(sele 1.7).
Väsimusteim
Tegelikkuses esinevad sagedamini vahelduv-
korduvad (tsüklilised) koormused, mille tagajärjel Sele 1.6. Löökpendli skeem
tekivad märki muutvad pinged (surve-tõmbepinged),
mis põhjustab
pragude teket. Tsüklilisel
koormusel tekib ja areneb
pragu ka pingetel, mis on allpool materjali tugevuspiiri, sageli isegi allpool voolavuspiiri. Seda protsessi, mis lõpeb
Tabel 1.4. Metalli tõmbeteimiga määratavad purunemisega, nimetatakse väsimuseks. omadused Väsimustugevust iseloomustab väsimuspiir R (sümmeetrilise koormuse korral -1). Väsimuspiir Tähis Ühik -1 on suurim pinge, mida metall purunemata talub Tugevusnäitajad 7 N korda (terasel võetakse selleks arvuks 10 , mitte-
Voolavuspiir 8 2 rauasulamitel 10 ). - alumine ReL N/mm 2 Väsimusteimi tehakse erimasinaga, kus - ülemine ReH N/mm 2 pöörlevat teimikut koormatakse paindekoormusega. - tinglik Rp0.2 N/mm 2 Nii tekib pöörlev
paine ja sellest
muutlik -korduvad
Tugevuspiir Rm N/mm pinged (sele 1.8; teimik kinnitatakse masinasse
Plastsusnäitajad ühest või mõlemast otsast). Koormata võib ka - katkevenivus A % tõmbe-survekoormusega või
korduva väändekoor- - katkeahenemine Z % musega.
- 10 - Metalli väsimuse põhjuseks on pingete kogu-
nemine kohtades, kus detailis on
astmed ,
sooned , Teimikus tekkivate
keermed jms. või
defektid (gaasitühikud,
mikro - paindepingete
praod ). Sellised kohad on
pingekontsentraatorid .
graafik Väsimuspurunemise murdepinnal on iseloo-
mulik reljeef kaks teravalt piiritletud ala: üks on
väsimusala, mille pind on plastselt deformeerunud ja
sile, ning teine staatilise purunemise ala, mis hari-
likult on
kiuline või kare.
Mittepurustavad katsed
Metalltoodete mittepurustava kontrolli (MPK)
meeto -
dite ülesanneteks on
1) defektide avastamine toodete pinnal või nende sisemuses (
poorid , praod, räbulisandid jms.);
2) materjalide keemilise koostise ja struktuuri F määramine;
3) füüsikaliste ja mehaaniliste omaduste mõõtmine (
soojus - ja elektrijuhtivus, kõvadus jt.); Sele 1.8. Väsimusteimi skeem pöörleva painde korral
4)
tehnoloogiliste protsesside pidev kontroll (toote pikkus, paksus, pinnakvaliteet jt.) Mittepurustavad kontrollimeetodid võib jagada
mitmesse rühma, millest põhilised on
- kõvaduse määramise meetodid, 2 N/mm Pinge
- radiograafiameetodid, 400
- ultrahelimeetodid,
- magnetmeetodid, 300
- kapillaarmeetodid,
-
elektrilised meetodid. 200 Nendele lisanduvad meetodite kombinatsioonid
või võtted purustavate meetodite hulgast, näiteks 100 Väsimuspiir
reservuaaride hermeetilisuse kontrollimine suru- Tsüklite arv N
vedeliku või -
gaasiga . Mittepurustavate meetodite hulka kuulub ka 10 4 106
visuaalne vaatlus ja mikroanalüüs. Sele 1.9. Väsimuskõver
Kõvaduskatsed Kõvaduse määramine Brinelli meetodil
Enamlevinud mooduseks on kõvaduse mõõtmine Kõvaduse määramisel Brinelli meetodil surutakse
otsaku sissusurumise teel. Otsaku küllalt suure katsetavasse materjali karastatud teraskuul läbi-
jõuga sissesurumise tagajärjel deformeeritakse mõõduga (D) kuni 10 mm ja jõuga (F) kuni 29400 N
materjali pinnakihti plastselt. Peale koormuse (e. 3000 jõukilogrammi kgf). Brinelli kõvadusarv
kõrvaldamist jääb materjali pinnale jälg. Mida väik- määratakse kuulile toimiva jõu ja sfäärilise jälje pind-
sem on kõvadus, seda sügavamale tungib
otsak ja ala suhtena.
seda suurem on jälg. Brinelli kõvadust tähistatakse tähtedega HB: katsetingimuste D = 10 mm, F = 3000 kgf, t = 2 10...15 s korral näiteks 185HB. Ühik on kgf/mm , Löögisitkus mida ei märgita. Teras A B C
Sitke Teiste katsetingimuste korral tuuakse tähise materjal HB järel katsetamise tingimused järgmiselt: kuuli läbimõõt, koormus ja koormamise kestus, näiteks 185HB 5/750/20, mis tähendab, et Brinelli kõvadus 2 on 185 kgf/mm , määratud kuuliga D = 5 mm koormusel 750 kgf ja kestusel 20 s. Habras materjal Kõvaduse määramine Rockwelli meetodil o Kõvadus Rockwelli meetodil määratakse sisse- -20 0 +20 Temperatuur, C surumise jälje sügavuse järgi: teraskuul läbimõõ-
duga 1,6 mm ja jõud 980 N (100 kgf) skaala B; Sele 1.7. Löögisitkuse sõltuvus temperatuurist teemantkoonus tipunurgaga 120° ja jõuga 580 N (60 kgf) või kõvasulamkoonus jõuga 1470 N (150
- 11 - kgf) vastavalt skaalad A ja C. Kõvadust iseloo- F
mustab kuuli või
koonuse materjalisse sissetun-
gimise sügavus. Kõvadusarvu, mis on ühikuta suurus, näitab
osuti näituri skaalal katse lõpul. Koonuse kasu- D
h
tamisel loetakse kõvadusarv näituri mustalt skaalalt
(A- ja C-skaala), kuuli puhul punaselt skaalalt (B-
skaala).
S Kõvaduse määramine Vickersi meetodil
Vickersi meetod põhineb teemantpüramiidi sisse-
surumisel materjali. See meetod võimaldab määrata
igasuguse kõvadusega metallide ja sulamite
kõvadust ning sobib õhukese metalli kõvaduse d
määramiseks. Materjali sisse surutakse
neljatahuline püramiid tahkudevahelise
nurgaga 136°, jõuga 9,8...980 N (1...100 kgf). Vickersi
kõvadusarv määratakse püramiidile toimiva jõu ja Sele 1.10. Brinelli kõvaduse määramise skeem
jälje pindala suhtena. Vickersi kõvadust tähistatakse katsetingi-
muste F = 30 kgf, koormamise kestuse 10...15 s
korral näiteks: 500HV. Teistel koormustel ja 980 N 590 N või
kestustel tuuakse peale tähist HV
katsetingimused : 1470 N
koormus ja koormamise kestus; näiteks 220HV
10/40, s.o. Vickersi kõvadusarv 220, mis on määra- mm
tud koormusel F = 10 kgf ja kestusel 40 s. Ühikuks 1,6 2
on kgf/mm , mida ei märgita. o
Sõltuvalt materjali paksusest ja kõvadusest 120 h h
kasutatakse erinevaid
koormusi :
- terase ja malmi korral F = 49...980 N (5...100 kgf),
- vase ja vasesulamite korral Sele 1.11. Rockwelli kõvaduse määramise skeem F = 24,5...49 N (2,5...50 kgf),
- alumiiniumi ja
alumiiniumisulamite korral F = 9,8...980 N (1...100 kgf). F
Tabel 1.5. Metallide kõvaduse määramise meetodid
Kõvadus Tähis- Otsaku Jõud, Mõõdetava tus kuju N materjali S
grupp
Brinell HB Kuul 29400 Pehme materjal (süsinikteras, d pulbermaterjal)
Rockwell A HRA
Koonus 590 Kõva materjal Sele 1.12. Vickersi kõvaduse määramise skeem (kõvasulam)
Rockwell B HRB Kuul 980 Pehme materjal (süsinikteras) Mittepurustav kontroll (MPK)
Rockwell C HRC Koonus 1470 Kõva materjal (karastatud teras) Radiograafiakatse
Vickers HV Püramiid 290 Pehme ja kõva Radiograafiameetod seisneb kontrollitava eseme materjal kiiritamisel röntgeni- (
lainepikkus alla 10 nm), või (alumiinium, gammakiirtega (lainepikkus ~0,1 nm). Materjalis või vask, teras,
tootes defektide määramine põhineb kiirguse neeldu- kõvasulam)
mise erinevusel kontrollitavas kehas ja see fiksee- ritakse röntgenfilmil. Radiograafiameetodeid kasuta- takse peamiselt keevisõmbluste kontrollimisel.
- 12 - defektile (tabel 1.7). Peale õige kontrollimeetodi
Ultrahelikatse valikut tuleb tema kvantitatiivseks hindamiseks leida
Ultrahelimeetod põhineb 2...4 MHz sagedusega seos mõõteriista näidu ja toote kvaliteedi ning
ultraheli kasutusel (ultraheliks loetakse akustilisi töökindluse vahel.
mitteelektromagnetilisi
laineid sagedusega üle
20 kHz). Erinevalt röntgeni- ja gammakiirgusest, mis Tabel 1.6. Mittepurustavate kontrollimeetodite
neeldub metallis paksusega juba mõni detsimeeter, tundlikkus
levib ultraheli hästi ka mitme meetri
paksuses metallis. Kontrollimeetod Prao minimaalne mõõt mm Ultraheli nõrgendavad aga poorid, praod, Laius Sügavus Pikkus
mittemetalsed lisandid jms. Seetõttu on ultraheli- ja Röntgenkatse - 2 -
radiograafiakatse skeem sama. Ultraheliallikas ja
vastuvõtja paigutatakse kontrollitavale pinnale, et Gammakatse - 5 -
vältida õhupilude nõrgendavat mõju. Ultraheliga Ultrahelikatse 0,002 0,1 -
kontrollitakse peamiselt pakse elektriräbukeevis- Magnetpulberkatse 0,02 0,02 0,3
õmblusi. Kapillaarkatse 0,001 0,02 0,1
Magnetpulberkatse
Magnetmeetod põhineb magnetvälja hajumisel Röntgentoru
metallis asuvate tühikute või mittemetalsete
lisandite toimel. Meetodiga saab kontrollida ainult ferromag-
netilisi materjale (näiteks ei saa kontrollida rooste-
vaba kroomnikkelterast). Meetod võimaldab avas- Röntgenkiir
tada defekte, mis asuvad kuni 6 mm sügavusel ja on
magnetvälja suunaga risti. Kasutatakse magnetmeetodi kahte
varianti :
kuiva ja märga. Esimesel juhul puistatakse
kont - Materjal
rollitavale pinnale defektide avastamiseks ühtlaselt Tühik
peent raudoksiidi, teisel juhul kasutatakse kuiva
magnetpulbri asemel suspensiooni e. heljumit
(vedelikuks sobib trafoõli või petrooleum).
Suspensioon tõstab meetodi tundlikkust, kuna on
välditud
pulbri ja pinna vaheline hõõrdumine.
Kapillaarkatse
Kapillaarmeetod põhineb vedeliku võimel imbuda
FilmSele 1.13. Radiograafiakatse
kapillaarjõudude toimel materjali defektidesse. See
on vanemaid ja lihtsamaid MPK
meetodeid , mis
lubab leida kuni 1 µm läbimõõduga poore või pragu-
sid. Selleks kaetakse metalli üks pool kriitvärviga; Ultraheli- Tühik
peale värvi kuivamist niisutatakse teist poolt
sond petrooleumiga. Kui metallis on läbivaid poore, siis
tekib värvitud küljele rasvaplekk. Sisemisi isoleeritud
defekte selle meetodiga
avastada ei saa. Samas on
meetod väga tundlik. Materjal
Pöörisvoolukatse
Pöörisvoolumeetod põhineb eset läbiva elektrivoolu
toimel tekkiva pöörisvoolu mõõtmisel. Elektrilised Pind Taust
parameetrid sõltuvad metallist. Näiteks elektritakis-
tus oleneb metalli koostisest, metalli temperatuur
Defekt pöörisvoolu
suurusest , tühikutest jne. Kõik elektri-
lised kontrollimeetodid on suhteliselt kergesti teos-
tatavad, neid saab hõlpsalt
korrata ja automati-
seerida, kuid samal ajal on raske elektrilisi suurusi
(vool, pinge, takistus jm.) üle viia defekte iseloo-
mustavatesse mõõtühikutesse. Seetõttu on elektri-
liste kontrollimeetodite puhul peamiseks raskuseks
elektrimõõteriistade
gradueerimine . Sele 1.14. Ultrahelikatse Mittepurustava kontrolli edukus sõltub
esma -
joones sellest, kas meetod vastab kontrollitavale
- 13 - Tabel 1.7. Soovitused mittepurustavate saamise käigus need on tavalisandid, ja spet- kontrollimeetodite kasutamiseks siaalselt lisatud need on
legeerivad elemendid. Nii sisaldab süsinikteras tavalisandeina
mangaani , räni,
fosforit , väävlit. Nende mõju võib olla märkimis- Defekt Kontrollimeetod väärne, kuigi süsinikteraste omadused on määratud Röntgen- Ultraheli- Magnet- Kapillaar- katse katse katse katse eelkõige nende süsinikusisaldusega. Keevitamisel
Omaette lisandite rühma moodustavad selli- ja jootmisel: sed elemendid nagu hapnik, vesinik ja lämmastik, - läbi- +- ++ - - mis satuvad teraste koostisse vähesel määral teras- keevitamatus te tootmisel sõltuvalt kasutatud toormest ja valmis- - praod ++ ++ ++ ++ tamismeetodist need on
juhulisandid . Nende lisan-
Termo - dite üsnagi suurt mõju võetakse terase tootmisel töötlemisel: arvesse. -
karastus - +- ++ ++ ++ Teraste ja malmide kõrval on leidnud tehnikas praod kasutust mitmed sellised rauasulamid, mis ei sisalda - struktuuri- - - - - defektid süsinikku. Ühtkokku valmistatakse tööstusele Valamisel: tohutul hulgal erinevaid rauasulameid - üle 10 000 - pinnapraod ++ ++ ++ - eri sordi. Raua ja rauasulamite tähtsus ei põhine - likvatsioon ++ ++ - - mitte ainult nende rohkel kasutusel ja nende Lõikamisel: omaduste mitmekesisusel, vaid ka nende suhteliselt - lihvimispraod - +- ++ ++ madalal
hinnal . Sulatamise ja erinevate - sisselõiked ++ - - - töötlemismeetodite abil
saavutatakse üha
+ võimalik, - võimatu, ++ väga efektiivne erinevamaid omaduste kombinatsioone. Selle teeb võimalikuks eelkõige raua polümorfism.
Tühik Süsinik C-sisalduse suurenedes kasvab terase kõvadus, tõmbetugevus ja voolavuspiir ning vastupanu väsi- muspurunemisele; vähenevad aga plastsus- ning sitkusnäitajad. Süsinik avaldab mõju ka terase külmahaprus- lävele, soodustades terase haprumist madalatel temperatuuridel. C-sisalduse suurenemisega kaasneb terase tiheduse vähenemine (puhta raua korral on see 3 7840 kg/m , 1,5% C-sisaldusega terase korral 7640 3 Elektrivool kg/m ), kasvab
eritakistus , vähenevad soojus-
juhtivus ja mõned magnetiliste omaduste näitajad. Sele 1.15. Magnetpulberkatse Tavalisandid Räni ja mangaan. Tavalisandina räni sisaldus süsinikterases ei ületa 0,5%, mangaani sisaldus
1.2. Metalsed materjalid 1,0%. Lisandid viiakse terasesse selle desoksüdee-
rimise käigus; ühinedes terases oleva hapnikuga lähevad nad räbusse. Lahustudes
rauas paran-
1.2.1. Rauasüsinikusulamid davad nad terase omadusi. Räni lahustununa rauas tõstab terase
voola -
Teras vuspiiri, mis aga halvendab terase külmdeformee- ritavust (stantsimisel, tõmbamisel). Seetõttu kasu-
Lisandid terases tatakse deformeerimise teel valmistatavate detailide
Raud on metallidest tähtsaim, kuid puhtal kujul puhul väikese ränisisaldusega teraseid.
kasutatakse teda vähe. Põhilised tehnomaterjalid Mangaan tõstab märgatavalt terase tugevust,
valmistatakse rauasulamitest. Nende kasutusala on alandamata seejuures
plastsust , ning samal ajal
umbes kümme korda laiem kui teistel metallidel ja vähendab väävlisisaldusest tingitud
kahjulikku mõju.
nende sulamitel. Suurem osa rauasulamitest on Malmidele on peale suurema süsinikusisal-
süsinikku sisaldavad sulamid rauasüsinikusula-
duse omane ka suur ränisisaldus (1...3%). Räni
mid, mis jagunevad järgmiselt: peamine mõju on selles, et koos süsinikuga
soodus - - terased, mille süsinikusisaldus on kuni 2,14%; tab ta
grafiidi eraldumist. -
malmid , mille süsinikusisaldus on üle 2,14% Väävel ja fosfor. Väävel ja fosfor on terases (tavaliselt kuni 4%). kahjulikeks lisandeiks.
Rauaga moodustab väävel Peale süsiniku on terastes ja malmides alati keemilise ühendi raudsulfiidi FeS, mis tardolekus
teisi lisandeid, mis on jäänud sulameisse nende praktiliselt rauas ei lahustu, kuid lahustub vedel- metallis. Keemiline ühend FeS moodustab rauaga
- 14 - kergsulava eutektikumi, mis terase kuumtöötluse tavalisandina terasesse viidu oma (s.o. Mn korral
temperatuuril (1000...1200 °C) sulab, muutes terase 1,65% ja Si korral üle 0,5%).
hapraks teradevaheliste sidemete nõrgenemise
Legeerivate elementide mõju terastes
tõttu. Seda nähtust nimetatakse punahapruseks e. avaldub eelkõige järgmises:
kuumhapruseks. - nad mõjutavad raua polümorfsete muutuste Mangaani olemasolu terases soodustab vääv- ning eutektoidmuutuse
temperatuure ja eutek-
liga rasksulava ühendi MnS teket, millega on pea-
toidi süsinikusisaldust terastes,
aegu välistatud punahaprumise võimalus. - nad tõstavad ferriidi ja sellega terase tugevust, Väävel vähendab terase löögisitkust, plast- - nad avaldavad mõju muutustele terase termo-
sust ja ka väsimustugevust. töötlusel (austeniiditera kasvule, austeniidi Fosfor tõstab terase tugevus- ja voolavuspiiri,
lagunemisele ja läbikarastuvusele).
kuid vähendab plastsust ja sitkust ning halvendab
keevitatavust ja korrosioonikindlust. Sitkuse vähe- Teraste liigitus
nemine on seda märgatavam, mida suurem on Kooskõlas eurostandardiga EN 10020 liigitatakse
terase C-sisaldus. Fosfori eraldumine põhjustab terased kahte suurde gruppi:
terase haprumist toatemperatuuril. Seda nähtust 1) mittelegeerterased (tuntud ka süsinik-
nimetatakse külmahapruseks. terastena), Väävli- ja
fosforisisaldus terases on
rangelt 2)
legeerterased .
piiratud sõltuvalt terase kvaliteedist ei ületa see Terase legeerituse määrab lisandite sisaldus.
0,06%. Malmid sisaldavad võrreldes terastega Kui see on tabelis 1.9 toodud piirnormidest allpool,
rohkem fosforit (0,1...0,2%), mis parandab malmide siis on tegemist mittelegeerterasega, kui kõrgem,
valuomadusi, eelkõige vedelvoolavust. siis legeerterasega. Mittelegeerterased jagunevad alagruppidesse
Tabel 1.8. Tavalisandid terastes eelkõige kahjulike lisandite (P, S) sisalduse järgi: a) tavakvaliteetterased e. tavaterased,
Lisand Sisaldus Mõju terases b) mittelegeerkvaliteetterased, %, kuni c) mittelegeervääristerased Si 0,5 Viiakse terasesse Legeerterased jagunevad
samade tunnuste valmistusprotsessis järgi kahte gruppi: desoksüdeerijana a) legeerkvaliteetterased, Mn 1,65 Viiakse terasesse valmistus- b) legeervääristerased. protsessis desoksüdeerijana P 0,05 Kahjulik lisand. Põhjustab Legeerteraste kasutusalad on samad mis terase külmahaprust mittelegeerterastel, kuid legeerterased erinevad S 0,05 Kahjulik lisand. Põhjustab valmistusviisi ja elementide sisalduse poolest. terase punahaprust Legeerkvaliteetteraste hulka kuuluvad
keevitatavad konstruktsiooniterased , surveotstarbelised terased, Lämmastik, hapnik ja vesinik. Need lisandid
eriterased (magnetterased) jt. Legeervääristeraste
esinevad terases mittemetalsete ühenditena (näi- gruppi kuuluvad roostevabad, kuumuspüsivad ja
teks oksiididena FeO, Fe2O, MnO, SiO2, Al2O3 jt.), -kindlad terased, kuullaagri-, tööriista- ning erioma-
tardlahustena või vabas olekus (kahanemistühi- dustega terased.
kutes, pragudes jm.). Mittemetalsed lisandid määra- Kasutusotstarbe järgi liigitatakse nii mitte-
vad terase nn. metallurgilise kvaliteedi, tõstavad
legeer - kui ka legeerterased kolme suurde gruppi:
terase mehaaniliste omaduste (plastsus ja sitkus) konstruktsiooniterased, tööriistaterased ja erioma-
anisotroopsust, kuid olles pingekontsentraatoreiks, dustega terased (roostevabad jt.).
alandavad nad väsimustugevust ja purunemis-
sitkust. Konstruktsiooniterased Eriti kahjulikuks lisandiks on terases lahus- Konstruktsiooniteraste all mõeldakse eelkõige
tunud vesinik. See muudab terase hapraks. Lisaks masina- ja aparaadiosade ning metalltarindite
haprusele soodustab vesinik terase valtsimisel ja valmistamiseks kasutatavaid teraseid. Keemiliselt
sepistamisel mikropragude teket. Keevitamisel koostiselt jagunevad konstruktsiooniterased nagu
mõjub vesinik kaasa pragude tekkimisele põhi- ja terased üldiselt mittelegeer- ja legeerterasteks.
keevismetallis . Pinnakihi
rikastamine vesinikuga Süsinikkonstruktsiooniterased sisaldavad harilikult
(näiteks
galvaan -pindamisel) soodustab samuti kuni 0,6% süsinikku ja need liigitatakse omakorda
terase haprumist; eriti ohtlik on see terase tööta- tava- ja kvaliteetsüsinikkonstruktsiooniterasteks.
misel
kontaktis vesinikuga kõrgetel rõhkudel. Sellist Esimesi kasutatakse profiilmetallina eelkõige metall-
nähtust tuntakse vesinikhaprusena. konstruktsioonide korral,
millelt ei nõuta suurt 2 tugevust (tõmbetugevus kuni 600 N/mm ) ega
Legeerivad elemendid eriomadusi. Kvaliteetsüsinikkonstruktsiooniteraseid
Peale süsiniku viiakse terastesse vajalike omaduste kasutatakse peamiselt masina- ja aparaadiehituses,
saamiseks mitmesuguseid spetsiaalseid lisandeid kui on täpsemalt piiritletud nõuded keemilise koos-
legeerivaid elemente - Cr, Ni, W, V, Mo, Co jt.,
tise ja paremate mehaaniliste omaduste suhtes.
sealhulgas ka Mn ja Si, kui nende sisaldus ületab Sellised terased tavaliselt termotöödeldakse.
- 15 - Legeerkonstruktsiooniteraseid kasutatakse vastu- Ehitusterastena kasutatakse:
tusrikaste ja raskkoormatud detailide korral. Nende · tavasüsinikteraseid,
teraste tõmbetugevus termotöödeldult ulatub kuni · mangaanteraseid, 2
2000 N/mm . · peenterateraseid, · parendatud teraseid,
Tabel 1.9. Legeerivad elemendid terastes · boorteraseid. Külmvormitavad kõrgvoolavad terased
Ele- Sisaldus Mõju terastes Kuna paljude konstruktsioonielementide valmista-
ment %, üle misel kasutatakse survetöötlust, peavad need tera-
Si 0,5 Tõstab voolavuspiiri, halven- sed olema hästi deformeeritavad. dades plastsust. Trafoterastes Teraste hea deformeeritavuse (stantsitavuse) kuni 4% tagamiseks peab olema suhe Rp0.2/Rm piires Mn 1,8 Tõstab terase tugevust ja 0,5...0,65 ja plastsus vähemalt 40%. Stantsitavus on kõvadust, suurendab läbi- seda
halvem , mida suurem on terase C-sisaldus. karastuvust ning soodustab Räni tõstab voolavuspiiri, halvendades terase
stan - austeniitstruktuuri teket. Kulu- tsitavust. Seetõttu kasutatakse C-terastest eelkõige miskindlates terastes ca 13% väiksema Si-sisaldusega keevteraseid. Külmdefor- Cr 0,5 Tõstab terase tugevust ja matsioonist tingitud kalestumisefekti suurendami- kõvadust (moodustuvad karbii- seks lisatakse mikrolegeerivaid elemente (Al, V), did), suurendab läbikarastu- mis sidudes lämmastikku ja moodustades nitriide
vust , soodustab ferriitstruktuuri (AlN, VN) soodustavad tugevnemist. teket, tagab korrosioonikind- luse (>12%Cr). Konstruktsioo- niterastes 1...2%, tööriista- terastes ca 12% Ni 0,5 Tõstab terase sitkust, kasut. Terased koos kroomiga; soodustab Konstruktsiooniterased austeniitstruktuuri teket. Konst- · Ehitusterased ruktsiooniterastes kuni 5%, · Masinaehitusterased roostevabades terastes Tööriistaterased 8...10% · Lõike- ja mõõteriistaterased Mo 0,1
Alandab terase külmahaprus- · Stantsiterased (külm- ja kuumstantsiterased) läve, vähendab noolutusrabe- · Kiirlõiketerased
dust , tõstab roometugevust Eriterased W 0,1 Tõstab terase kõvadust ja · Roostevabad terased kulumiskindlust. Põhilisand · Kuumuskindlad terased kiirlõiketerastes · Kulumiskindlad terased Co 0,1 Tugevdab terast; parandab selle magnetomadusi. Side- aine kõvasulameis V 0,12 Tõstab terase kõvadust. Kasu- tatakse tera peenendajana Tabel 1.10. Tavaehitusterased (EN10025)
Margi- Koostis %, Omadused, min
Ehitusterased tähis max 1)
Ehitusterastena kasutatakse suhteliselt väikese C Si ReH KU 2
süsiniku (kuni 0,2%) ja legeerivate elementide sisal- N/mm T, °C/J
dusega (Si ja Mn 1...2%) teraseid. Reeglina kasu-
tatakse ehitusteraseid mitmesuguse ristlõikega
S185 - - - 175 - -
profiilmetallina (nurkteras,
talad , latid,
armatuur jt.) S235JR 0,2 - 1,4 235...175 +20 27
ning valmistaja väljastatud olekus. Seetõttu ehitus- S235J2 -20 27..23
terased ei kuulu täiendavale termotöötlusele. Hea
S275JR 0,2 - 1,4 275...205 +20 27..23
keevitatavus on peamine tehnoloogiline omadus: S275J2 27..23
keevisõmbluses ei tohi tekkida külm- ega kuum- S355JR 0,22 - 1,6 355...275 +20 27..23
pragusid ja selle mehaanilised omadused peavad S355J2 -20 27..23
olema lähedased põhimetalli omadustele. 1) keskmine Kuna paljud ehituskonstruktsioonid töötavad
tihti madalatel temperatuuridel ja dünaamilistel koor-
mustel, siis üheks tähtsamaks omaduste näitajaks
on külmahapruslävi.
- 16 - Tabel 1.11. Kuumvaltsteras (leht) (EN 10137) sellist termotöötlust omandab teras struktuuri, mis 1) talub hästi löökkoormusi. Margitähis TT Koostis Omadused, min Parendatavaist terastest valmistatakse enamik %, max masinaosi: võllid,
hoovad , teljed jms. Muu ReH 2 KU 27J Termotöötlemine võimaldab oluliselt paran- N/mm t°-l dada mittelegeerkonstruktsiooniteraste mehaanilisi S235J2 N 1,4 Mn 235 -20 omadusi. Võrreldes ühekordse töötlemise
norma - S275J2 N 1,4 Mn 275 -20 liseerimisega, mil moodustub perliitstruktuur, on
S500 QL1 P 2 Ni 500 -40 kahekordse töötlemise
parendamise (
karastamine S690 QL1 P 1,5 Cr 690 -60 + kõrgnoolutamine) tulemusena tekkiv struktuur 0,7 Mo paremate omadustega. 0,5 Cu 0,12 V
Vedruterased 1) N normaliseeritult, P parendatult
Keerd -,
spiraal - ja lehtvedrusid ning teisi elastseid
2) C-sisaldus 0,2% detaile iseloomustab see, et neis kasutatakse ainult terase
elastsust ; plastne
deformatsioon on luba- matu. Seega on vedrumaterjalile peamine nõue
Tabel 1.12. Külmvormitav külmvaltsteras (leht, kõrge voolavuspiir ja
elastsusmoodul . Kuna
vedrud riba) (EN 10130) töötavad vahelduvtsüklilistel koormustel, siis on tähtis ka vedruteraste väsimuspiir; sitkus- ja ka Margi- Koostis %, max Omadused, min plastsusnäitajad olulist rolli ei mängi. tähis C 1) Mn Muu ReH Rm A Vedrud tehakse 0,5...0,7% süsinikusisaldu- 2 N/mm N/mm % 2 sega terasest, mis on legeeritud räni ja mangaaniga. DC01 0,12 - 280 410 28 Vastutusrikaste vedrude korral kasutatakse teraseid, DC04 0,08 - 210 350 38 millele on lisatud
kroomi ja
vanaadiumi . DC06 0,02 - 180 350 38 S355MC 0,12 1,5 Al, V 355 430 19 S500MC 0,12 1,7 Nb 500 550 12 Tabel 1.13. Surveotstarbelised terased S700MC 0,12 2,1 Ti 700 750 10 (EN10028)
1) keskmine Margi- Ots- Koostis %, Omadused,
Masinaehitusterased tähis
tarve max min 4)
Tsementiiditavad terased C Mn jt. ReH A 2
Tsementiiditavate terastena kasutatakse madal- N/mm % 1)
süsinikteraseid (0,1...0,25%C), mille kõvadus peale P235GH TK 0,16 1,2 235 25
tavakarastust on väike. Peale tsementiitimist (pinna- P355GH TK 0,22 1,7 355 21 2)
kihi rikastamist süsinikuga, C-sisaldus viiakse ca P275N KNP 0,18 1,4 275 24
1%-ni), karastamist ja madalnoolutamist on nende P460N KNP 0,20 1,7 460 17 3)
pinnakõvadus 58...62 HRC, südamiku kõvadus aga P460Q KPP 0,18 1,7 - -
30...42HRC. P690Q KPP 0,20 2,0 Ni - - Tsementiiditavate teraste südamik peab ole- 1,5 Cr
ma heade mehaaniliste omadustega, eriti tähtis on 0,7 Mo 1)
kõrge voolavuspiir, mille tagab eelkõige peenetera- TK tööks kõrgendatud t°-l 2)
line struktuur. Ka
pinnakihis on oluline peeneteraline KNP keevitatavad normaliseeritud peenteraterased 3)
struktuur jämeteraline tsementiiditud kihi struktuur KPP keevitatavad parendatud peenteraterased 4) keskmine
toob pärast termotöötlust pinnakihis kaasa väsimus-
tugevuse languse. Tsementiiditud kihi paksus on tavaliselt Tabel 1.14. Masinaehitusterased
0,5...2 mm, mille struktuur sügavuti muutub
sujuvalt südamiku struktuuriks. Tsementiiditavaist terastest Margitähis Omadused, min
valmistatakse selliseid masinaosi nagu hammas- 2 2
rattad , ketirattad,
nukid jm. ReH, N/mm Rm N/mm A%
E295 295 490 20
Parendatavad terased E335 335 590 16
Masinaosade valmistamiseks kasutatavad terased E360 360 670 11
peavad olema töökindlad, see tähendab, et nendel
peavad olema kõrged tugevusnäitajad Rm ja Rp0,2, Vedrude termotöötlemine seisneb karastami-
vastuvõetav külmahapruslävi ja löögisitkus KU. ses ja kesknoolutamises temperatuuril 300...400 °C. Parendatavad terased on kesksüsinikterased Vedrude töökindlus sõltub oluliselt nende
(0,3...0,5%C), milles on 3...5% legeerivaid ele- pinna kvaliteedist: praod, tagi,
kriimud vähendavad
mente . Nende termotöötlus seisneb karastamises tunduvalt väsimustugevust. Seetõttu leiab laia kasu-
(reeglina õlisse, mõnikord sulasoolas või õhus) ja tamist vedrude pinnakihi kalestamine kuulidega,
kõrgnoolutamises temperatuuril 550...600 °C. Peale
- 17 - rullidega jm. Selle tulemusena tekivad pinnakihis terast, mis sisaldab kuni 0,4% C ja
tavalisest roh-
survepinged,
mispuhul tõuseb väsimustugevus. kem väävlit ja fosforit (kuni 0,2%). Tänu väävlile on teras hästi lõiketöödeldav (annab lõikamisel lühi-
kese murduva
laastu , mida lõiketsoonist on kerge
Tabel 1.15. Parendatavad terased (EN10083) eemaldada). Ent väävel viib alla terase mehaa-
nilised omadused, eelkõige sitkuse. Margi- Koostis %, Omadused, min tähis max C 1) Cr jt. Rp0.2 Rm KU Tabel 1.17. Vedruterased 2 2 N/mm N/mm +20°CJ 2) C30E 0,3 - 300 500 40 Margi- Koostis %, Omadused , min
C45E 0,45 - 370 630 25 tähis max 1) 28Mn6 0,28 1,6 Mn 440 650 40 C Muu Rp0.2 Rm 2 2
34Cr4 0,34 1,2 Cr 460 700 40 N/mm N/mm 34CrMo4 0,34 1,2 Cr 550 800 45 60SiMn5 0,6 1,3 Si
1130 1320 0,3 Mo 1,1 Mn 34CrNiMo6 0,34 1,7 Cr 800 1000 45 55Si7 0,55 1,8 Si 1130 1320 1,7 Ni 55Cr3 0,55 0,9 Cr 1175 1320 0,3 Mo 50CrV4 0,5 1,2 Cr 1175 1370
1) keskmine 0,2 V 1) 2) keskmine, karastatult ja kesknoolutatult
Tabel 1.16. Tsementiiditavad terased (EN10084)
Margitähis Koostis %, Omadused , 2) Tabel 1.18. Automaaditerased max min 2) C 1) Cr jt. ReL Rm Margi- Koostis %, max Omadused , 2 N/mm N/mm 2 tähis min 1) C10E 0,1 - 295 490 C S Muu Rm 2 C15E 0,15 - 355 590 N/mm 15Cr3 0,15 0,7 Cr 440 690 10S20 0,1 0,25 - 350 20MnCr5 0,2 1,3 Cr 540 780 10SPb20 0,1 0,25 0,3 Pb 350 1,4 Mn 9SMn28 0,1 0,32 1,3 Mn 370 1) 2) 14NiCr14 0,14 0,95 Cr 685 880 keskmine, normaliseeritult 2,75 Ni
1) keskmine
2) tsementiiditult ja karastatult (pinna kõvadus 62 HRC) Boor - teras
Kuullaagriterased
Rull- ja kuullaagrite töötingimuste iseärasus on kõr- Parendatud teras
gest survest tingitud materjali
lokaalne deformat-
sioon ja kuuli või rulli kontakt tsüklilisel koormusel. Mikrolegeeritud peenterateras Sellest tulenevalt peab kuullaagriteras olema
suure kõvadusega (62HRC) ja väga ühtlase mikro-
struktuuriga. Selleks kasutatakse suure süsiniku- Mangaanteras
sisaldusega, eelkõige kroomiga legeeritud teraseid.
Tuntumad sisaldavad ca 1% C ja 1,5% Cr. Nende Süsinikteras
teraste termotöötlus seisneb karastamises õlisse 2
temperatuurilt 830...840 °C ja madalas noolutami- 0 250 500 750 1000 ReL, N/mm
ses 150...160 °C 1...2 tunni jooksul. Saadakse
peeneteraline struktuur, mis on kõva ja kulumis- Sele 1.16. Konstruktsiooniteraste tugevus
kindel ning hea vastupanuga väsimusele. Tavaliselt
tehakse kuulid ja rullid veidi pehmemad kui
veerevõrud. Tööriistaterased Suur kõvadus ja kulumiskindlus lubab kasu- Tööriistaterased moodustavad teraste suure grupi,
tada kuullaagriteraseid ka tööriistaterastena külm- mida iseloomustavad suur kõvadus, tugevus ja kulu-
lõike- ja survetöötlusstantside, pressvormide jms. miskindlus, s.o. omadused, mis on vajalikud metalli-
valmistamiseks. de lõike- ja survetöötlemisel, ja võime neid omadusi kuumenemisel säilitada
soojuskindlus . Eelkõige
Automaaditerased kõvaduse nõudest tulenevalt on tööriistateraste
Automaaditeraseks nimetatakse automaatpinkidel süsinikusisaldus võrreldes konstruktsiooniterastega
töödeldavate detailide materjalina kasutatavat suurem (reeglina 1...2%).
- 18 - Tabel 1.19. Tööriistaterased
Margitähis Koostis %, max Kõvadus C Mn Cr Mo W V Muu HRC C-terased 2) C70W2 0,7 - - - - - - 63 MN 2) C105W2 1,05 - - - - - - 65 MN Külmstantsiterased 2) 100MnCrW4 1,0 1,2 0,7 - 0,7 - - 63 MN 2) X210Cr12 2,1 - 12,0 - - - - 62 MN 2) X165CrMoV12 1,65 - 12,0 0,7 0,6 0,5 - 61 MN Kuumstantsiterased X40CrMoV5-1 0,4 - 5,5 1,5 - 1,1 1,2 Si 42...46 3) KõN Kiirlõiketerased 3) HS18-1-2-10 0,8 - 4,5 0,8 18,5 1,7 10 Co 64 KõN 3) HS6-5-2-5 0,94 - 4,5 5,2 6,7 2,0 5 Co 64 KõN 3) HS2-9-2-8 0,92 - 4,2 9,2 9,2 2,2 8,75 Co 64 KõN 1) 2) o 3) o keskmine, madalnoolutus(~200 C), kõrgnoolutus (~600 C)
Soojuskindluse järgi liigitatakse tööriistatera- ratuurideni 600...700 °C, jäädes alla ainult
pulber -
sed järgnevalt: mittesoojuskindlad (süsiniktööriista- kõvasulameile. Kiirlõiketerastest valmistatakse
terased), poolsoojuskindlad (peam. stantsiterased) rauasaelehti, keermelõikureid, freese, stantse jpm.
ja soojuskindlad (kiirelõiketerased).
Süsiniktööriistaterased
Süsiniktööriistateraste C-sisaldus on piires Tööriistaterased
0,7...1,3%. Peale karastamist vees on teraste Mittesoojuskindlad
kõvadus 62...64HRC. Nende teraste pinna suur Tööks temperatuuridel kuni 200 °C
kõvadus karastatult ja suur plastsus lõõmutatult · Süsiniktööriistaterased
võimaldavad valmistada tööriistu survetöötlemise Soojuskindlad terased
teel, näit. keermepuure rullimise teel, viile täkkimise Tööks temperatuuridel kuni 300...500 °C
teel jne. · Kõrglegeeritud külmstantsiterased · Madallegeeritud kuumstantsiterased
Stantsiterased Soojuskindlad terased
Lähtudes tööriistade töötingimustest ja kasuta- Tööks temperatuuridel kuni 500...600 °C
tavatele terastele esitatavatest nõuetest liigitatakse · Kõrglegeeritud kiirlõiketerased
stantsiterased külmstantsi- ja kuumstantsiterasteks. · Karbiidterased Külmstantsiterased on eelkõige kroomiga
kõrglegeeritud terased, mis sisaldavad 12% Cr ja Eriterased
1...2% C. Teraste kõvadus peale karastamist ja Konstruktsiooniterastest, mis töötavad spetsiifilistes
madalnoolutust on 60 HRC ja neid kasutatakse tingimustes (kõrgetel ja madalatel temperatuuridel,
keeruka kujuga survetöötlustööriistade (tõmbe- abrasiivsetes või korrodeerivates
keskkondades ),
silmad,
pressvormid jne.) valmistamiseks. moodustavad suure grupi eriterased. Nende talitlus- Kuumstantsiterased peavad, erinevalt külm- omadused tagatakse spetsiaalse legeerimisega.
stantsiterastest, säilitama omadused (kõvadus,
Eriomadustega legeerkonstruktsiooniterased
tugevus) ja mõõtmed kokkupuutes kuuma metalliga. on näit. korrosiooni-, kulumis- ja kuumuskindlad
Nimetatud omaduste tagamiseks sisaldavad kuum- terased.
stantsiterased tavaliselt 0,5...0,6% C see annab
hea sitkuse ja 1...2% Ni või Mo, mis tagab hea Roostevabad (korrosioonikindlad) terased
läbikarastuvuse. Kasutatakse kuumstantside, valu- Korrosioonikindlatest terastest on enam levinud
vormide jms. valmistamiseks. kroomi (vähemalt 12%),
niklit jt. legeerivaid ele- mente sisaldavad terased.
Kiirlõiketerased Roostevabade terastena on tuntumad:
Kiirlõiketerased on enimkasutatavaid tööriistateraste - kroomterased (sisaldavad 13...27% Cr, kusjuures
gruppe. Kiirlõiketerased sisaldavad üle 0,6% C ja Cr-sisalduse kasvuga suureneb ka terase
reeglina volframit (kuni 18%), molübdeeni, vanaa- korrosioonikindlus),
diumit jt. lisandeid. Kiirlõiketeraste kõrge karastus- - kroomnikkelterased (legeeritud lisaks kroomile
temperatuuri (üle 1000 °C) ja sellele järgneva nikliga ning võivad
sisaldada titaani, nioobiumi,
mitmekordse
noolutamise (temperatuuril 550... lämmastikku; viimaseid lisatakse terastele terade-
600 °C) tulemusena saadakse terase kõvaduseks vahelise korrosiooni vältimiseks).
64...65HRC, mis säilib nende
kasutamisel tempe-
- 19 -
Roostevabast terasest valmistatakse
korro - nikroomid, mis põhikomponendina sisaldavad niklit
deerivas keskkonnas töötavaid masinaosi, ehitus- (60...80%) ja lisandina kroomi (40...20%) (vt. ka p.
detaile, arsti- ja köögiriistu jne. 1.2.4. Niklisulamid).
Kulumiskindlad terased
Vastupanu kulumisele on otseselt seotud materjali
pinnakõvadusega, millest tulenevalt kulumiskindluse Tabel 1.20. Roostevabade teraste struktuur
tõstmiseks kasutatakse selliseid tugevdamise
meetodeid nagu legeerimist, pindkarastamist, Koostis Omadused
termokeemilist töötlemist ja pindamist. Struktuur %, max Karas- Magne- Korrosiooni- Vähem tõhus on läbilegeerimine (sisseviida- tatavus tiline
kindlus vatest legeerivatest elementidest on detaili läbi-
Martensiit 12...13 ja ja Hea
mõõdu 100 mm korral toimetõhusad ainult 2...3%), (M) Cr ei ja Parem kui
eriti efektiivne on aga kõvade pinnete pealekand-
Ferriit (F) >13 Cr martensiit-
mine eri pindamismoodustega:
leek -,
plasma - ja
terastel detonatsioonpihustamise, pealesulatamise, -
keevita -
Austeniit 18 Cr ei ei Eriti kõrge
mise , sadestamise jm. teel. (A) 8...10 Ni korrosiooni- Legeerterastest kasutatakse kulumiskindlate kindlus
terastena tsementiiditud ja suurema C-sisaldusega
kroomi, mangaani,
volframi jt. elementidega legee-
ritud teraseid. Tuntumad on mangaanterased Mn-
sisaldusega ca 12%. Tabel 1.21. Valuterased
Kuumuskindlad terased
Terase kuumuskindluse (kuumuspüsivus+ kuumus- Margitähis Koostis %, Omadused,
tugevus) tagab eelkõige kroomiga legeerimine. max min
Kroom jt. legeerivad elemendid moodustavad tihe- C 1) Muu Rm A
dad
oksiidid nagu
Cr2O3 , Al2O3 või SiO2. Mida N/mm 2 %
suurem on Cr-, Al- või Si-sisaldus rauas, seda Mittelegeer-
kõrgem on selle kuumuspüsivus. Kuumuspüsivuse terased
temperatuuril 900 °C annab ca 10% Cr, 1000 °C G-C25 0,25 0,9 Mn 440 22
juures aga on vajalik Cr-sisaldus juba 25%. G-28Mn6 0,28 1,65 Mn 480 17 Kuumustugevuse tagamiseks legeeritakse tera-
Madallegeer -
seid lisaks kroomile räni, molübdeeni,
nikli jt. ele- terased
mentidega. Terastest, mis on mõeldud tööks G-25CrMo4 0,25 1,2 Cr 700 12
kõrgetel temperatuuridel (350...500 °C),
moodus - 0,3 Mo
tavad suure grupi katla- ja klapiterased. Esimesed Kõrglegeer-
on väikese C-sisaldusega (see tagab hea keevita- terased
tavuse) ja eelkõige Cr-ga legeeritud (1...6%) G-X6CrNiTi18-10 0,06 19,0 Cr 450 25
terased. Klapiterastena kasutatakse suurema C- 12,0 Ni
sisaldusega (0,5...0,6%) kroomi (5...15%) ja räniga 0,8 Ti
(1...3%) legeeritud teraseid. G-X120Mn12 1,2 12,0 Mn 750 20 Veel kõrgematel temperatuuridel kasutatakse 1) keskmine suurema Cr ja Ni-sisaldusega teraseid või hoopiski nende baasil sulameid. Viimastest tuntumad on
Tabel 1.22. Roostevabad terased 3) Margitähis Grupp Koostis %, max Omadused , min 1) C Cr Ni Muu Rp0.2 Rm A 2 2 N/mm N/mm % X12Cr13 M 0,12 14,0 - - 250 400 20 4) 410 590 16 X6Cr13 F 0,06 14,0 - - 250 400 20 X3CrNiMoN27-5-2 FA 0,03 28,0 6,5 2 Mo 450 600 20 2 Mn X4CrNi18-10 A 0,04 19,0 11,6 2 Mn 195 500 45 X4CrNiN18-10 A 0,04 19,0 11,0 2 Mn 270 550 40 X4CrNiMo17-13-3 A 0,04 18,5 14,0 3 Mo 220 490 45 2 Mn 1) 2) 3) 4) keskmine, lõõmutatult, karastatult, parendatult
- 20 - Terase struktuur Fe
Terase puhul paigutuvad raua kristallivõresse 3
süsiniku või legeerivate elementide aatomid. Tihedus 7800 kg/m
Seejuures
tekkivad süsiniku tardlahused -rauas Sulamistemperatuur Ts 1539 °C
(Fe) ja -rauas (Fe); raua ja süsiniku omavahelise Kristallivõre 0...911 °C K8
reageerimise tulemusena aga keemiline ühend 911...1392 C K12°
raudkarbiid. Fe aatomid rauas ja Fe ja C aatomid 1392...1539 °C K8 2
terases paiknevad kindla korra järgi, mida ise- Tõmbetugevus Rm Puhas Fe 250N/mm 2
loomustab kristallivõre. Väga paljude kristallivõrede sulamid 3000 N/mm -6
kogum moodustab kristalli (tera). Terase struktuuri
Joonpaisumistegur 10,510 1/K
moodustavad terad, mille ulatuses kristallivõre on Elektrijuhtivus 1/ 15%
IACS orienteeritud üheselt. Tera suurus sõltub väga pal- Korrosioonikindlus Hea
judest mõjuritest (kuumutustemperatuur ja kestus,
jahutuskiirus , koostis jpt.) ja on piires 0,01...0,1 mm.
Tera struktuuri mõjutab ka terase survetöötlus
terad venitatakse ühes suunas välja, mille tule-
musena tekib kihtstruktuur (tekstuur) ja omaduste
anisotroopsus. Fe(K8)
Süsiniku ja raua kristallivõred
Terase erinevate struktuuride tekke eri termo-
töötlusviiside korral teeb võimalikuks eelkõige raua
polümorfism erinevate kristallivõrede esinemine
erisugustel temperatuuridel. Raual on kaks polü-
morfset kuju: -raud (Fe) ruumkesendatud
kuup -
võrega (tähistatakse K8) ja -raud (Fe)
tahk -
kesendatud kuupvõrega (K12). Temperatuurid
911 °C (tähistatakse A3-ga) ja 1392 °C (A4) on raua
polümorfse muutuse temperatuurid toimub üle-
minek ühelt kristallivõrelt teisele. Raua polümorfismi Fe(K12)
mõju ulatub ka tema sulamitesse. Süsinik võib esineda mitmel kujul, sh. tee-
mandina ja grafiidina. Rauasüsinikusulamites on
vabas olekus süsinik grafiidi kujul, mille kristallivõre
on heksagonaalne ja seetõttu on grafiidi tugevus ja
platsus väga väikesed. Terastes esinevad järgmised
faasid ja struk-
tuurivormid. a) Ferriit (F) süsiniku
tardlahus -rauas. Temperatuuril 727 °C lahustub -rauas kuni 0,02% C (massi %), toatemperatuuril aga Sele 1.17. -raua ja -raua kristallivõred kuni 0,01%. Ferriidil on ruumkesendatud kuupvõre, väike tugevus ja kõvadus, kuid suur plastsus. b) Austeniit (A) on süsiniku tardlahus -rauas. Süsiniku maksimaalne
lahustuvus -rauas on 2,14% temperatuuril 1147 °C, temperatuuril 727 °C 0,8%. Toatempe- ratuuril austeniiti süsinikterastes ei esine, sest ta laguneb 727 °C juures ferriidiks ja tsementiidiks e. perliidiks. c)
Perliit (P) on ferriidi ja tsementiidi eutek- toidsegu süsinikusisaldusega 0,8%; esineb neis rauasüsinikusulamites, milles C>0,02%. Perliit tekib austeniidi (süsiniku- sisaldusega 0,8%) lagunemisel
tempera - tuuril 727 °C: Fe aatom C aatom A P (F+T). Sele 1.18. Aatomite paigutus raua-süsiniku tardlahuses
- 21 - 1147 E o T, C G 900 A cm A
A3 800 A+T F+A F P S A1 727
700
F+T 0,8 2,14 600 0 0,5 1,0 1,5 2,0 C% Ferriit (F)
Austeniit (A)
Tsementiit (T)
Perliit (P)
Sele 1.19. Fe-Fe3C
faasidiagrammd) Tsementiit (T) on raua ja süsiniku keemiline ühend raudkarbiid Fe3C. Tema süsinikusisal- dus on 6,67% ja ta on rauasüsinikusulamite Faasid ja struktuurivormid struktuuriosadest kõige kõvem ja hapram. Auste- rauasüsinikusulameis niidist selle C-sisalduse vähenemisel tekkiv
sekundaarne tsementiit on üleeutektoidses Tähis Määratlus terases tavaliselt heleda võrguna või terakeste Faasid ahelana perliiditerade vahel või nõeltena nende Vedelfaas L C tardlahus rauas sees. Ferriit F C tardlahus -rauas C-lahustuvus t°-l 727 °C
Terase struktuur toatemperatuuril on 0,02%, toat°-l 0,01%
Sulam on tasakaaluolekus siis, kui kõik faasi- Austeniit A C tardlahus -rauas
muutused temas on toimunud täielikult
faasidia - C-lahustuvus t°-l 1147 °C
grammi kohaselt. Selline olek saavutatakse ainult on 2,14%, t°-l 727 °C
väga aeglasel jahtumisel. Rauasüsinikusulamite 0,8%
taskaaluliste struktuuride leidmise aluseks on Fe- Tsementiit T Fe ja C keemiline ühend
Fe3C faasidiagramm (sele 1.19).Faasidiagrammi raudkarbiid (Fe3C). C-
komponentideks on puhas raud (Fe) ja raudkarbiid sisaldus 6,67%
(Fe3C) e. tsementiit. Struktuuri Kooskõlas faasidiagrammiga koosneb terase vormid
struktuur normaaltemperatuuril ferriidist ja tsemen-
Ledeburiit Le Eutektsegu C-sisaldusega
tiidist, kusjuures tsementiidi kogus terase struktuuris 4,3%. Tekib vedelfaasi
kasvab võrdeliselt selle C-sisaldusega. C-sisal- kristalliseerumisel t°-l o
dusest ja Fe-Fe3C faasidiagrammist lähtudes liigita- 1147 °C. Kuni t -ni 727 °C
takse terased: koosneb A ja T-st, alla
- alaeutektoidseiks, C0,8%, struktuur P+T''. sisaldusega 0,8%. Tekib Kõvad ja haprad tsementiidiosakesed üleeutek- austeniidi lagunemisel t°-l
toidterase struktuuris suurendavad selle vastupanu 727 °C
deformeerimisele, vähendades samal ajal terase
plastsust ja sitkust.
- 22 - Terase struktuur kõrgel temperatuuril T
Kui puhta raua korral muutub kuumutamisel ainult Jämetera -
selle kristallivõre, siis teraste kuumutamisel tekivad struktuur
temperatuuridel üle 727 °C (jooned A1 ja A3 selel
1.19) erinevad
struktuurid :
- eutektoidterased on 100% austeniitstruktuuriga
- alaeutektoidterased kas ferriitausteniit- või austeniitstruktuuriga
- üleeutektoidterased kas austeniittsementiit- või austeniitstruktuuriga. Peentera - Terase kiire jahutamise (
karastamise ) tule- struktuur
musena struktuuris olev austeniit ei lagune, vaid
muutub martensiidiks, mis on süsiniku üleküllastatud t
tardlahus -rauas ja on terases väga kõva, kuid
habras faas. Sele 1.20. Tera kasv kuumutamisel
Terase termotöötlus
Terase termotöötlus seisneb kuumutamises üle
faasipiiri (de) ning järgnevas jahutamises kiirusel, mil Struktuur enne termotöötlust
faasimuutused kas toimuvad täielikult, osaliselt või
üldse ei leia aset. Selle põhjal eristatakse kahte
peamist terase termotöötluse moodust:
· lõõmutamine (
kuumutamine aeglase jahutami- sega faasimuutused toimuvad täielikult), Ferriit Tsementiit
· karastamine (kuumutamine kiire jahutamisega faasimuutused ei leia aset või toimuvad osa- liselt). Perliit
Lõõmutamine Karastamine Plastsus suureneb Kõvadus tõuseb Sisepinged vähenevad Tugevus suureneb Survetöödeldavus
paraneb Sitkus väheneb Austeniit Struktuur peeneneb Kulumiskindlus Lõiketöödeldavus paraneb suureneb Struktuur peale kuumutamist
Terase lõõmutus
Lõõmutus on niisugune termotöötlemise viis, kus Martensiit
terast kuumutatakse üle faasimuutuse temperatuuri
järgneva aeglase jahutamisega, tavaliselt koos
ahjuga. Aeglane
jahutamine peab kindlustama
austeniidi lagunemise perliidiks. Lõõmutamine on Struktuur peale karastamist
tavaliselt esmane termotöötlusviis, mille eesmärgiks
on kas kõrvaldada kuumtöötluse eelmiste
operat - Sele 1.21. Struktuurimuutused terase
sioonide (valamise, sepistamise jne.) defekte või termotöötlusel
valmistada struktuuri ette järgnevateks operatsioo-
nideks (näiteks lõiketöötlemiseks või karastami- T
seks). Üsna sageli on aga lõõmutamine lõplikuks Seisutamine
termotöötlemise viisiks ja seda siis, kui lõõmutatud 2...10 h
terase mehaanilised omadused rahuldavad, s.t. pole
vaja edaspidist parendamist (karastamist ja noolu-
tamist). Lõõmutuse peamine eesmärk on vajalike Kuumutamine
omaduste tagamine terase ümberkristalliseerimise kuni 700...760 oC
ja sisepingete kaotamise tagajärjel. Selleks kasuta-
takse difusiooon-, täis-, pool- ja madallõõmutust. Difusioonlõõmutust e. homogeniseerimist
kasutatakse eelkõige legeerterastest valuplokkide ja t
valandite keemilise koostise ühtlustamiseks likvat-
siooni kõrvaldamiseks. Keemilise koostise ühtlusta-
miseks kuumutatakse valuplokke või valandeid Valtsimise tekstuur Terastruktuur
kõrge temperatuurini, misjuures valuploki või
valandi keemiline koostis ühtlustub. Teraseid lõõmutatakse Sele 1.22. Pehmelõõmutamine
- 23 - temperatuuril kuni 1100 °C, seisutusaeg 10...20 T,ºC
tundi. Kuumutus temperatuurini 1000...1100 °C ja
pikaajaline seisutus sellel põhjustavad austeniiditera 1000
tunduvat kasvamist struktuur muutub jämedatera-
liseks. Seetõttu on nõutav täiendav termotöötluse 900 Soovitatavad
operatsioon struktuuri parandamiseks (täis- või pool- temperatuurid
lõõmutus). 800 Täislõõmutuse e. täieliku lõõmutuse eesmär-
giks on eelkõige sepiste ja valandite struktuuri 700
peenendamine ja sisepingete kaotamine. Täis-
lõõmutusel kuumutatakse terast üle faasipiiri Ac3. 600
Terase ferriitperliitstruktuur muutub kuumutamisel 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 C,%
austeniidiks ning jahutamisel tekib ümber-
kristalliseerumisel austeniidist uuesti ferriit ja perliit. Sele 1.23. Pehmelõõmutustemperatuuri valik
Sellise termotöötluse abil saadakse valamisel ja
sepistamisel tekkinud jämedateralisest ferriitperliit-
struktuurist peeneteraline ferriitperliitstruktuur. Poollõõmutust e. mittetäielikku lõõmutust
kasutatakse muutmaks suurema süsinikusisaldu-
sega (0,5% ja enam) terase struktuuri, mis on liiga
kõva nii külm- kui ka lõiketöötlemiseks. Kuna sellise Enne Pärast
madalama termperatuuriga lõõmutamise peaees-
märk on terase kõvaduse vähendamine ja plastsuse Sele 1.24. Pehmelõõmutamise mõju terase struktuurile ja lõiketöödeldavusele
suurendamine , siis nimetatakse seda ka pehme-
lõõmutuseks. Poollõõmutust tehakse kõrgsüsinikteraste
sisepingete kaotamiseks, kõvaduse vähendami- T Seisutamine
seks, plastsuse
suurendamiseks ja lõiketöödelda- ca 1 tund
vuse parandamiseks. Poollõõmutusel
kuumuta -
takse terast tavaliselt üle faasipiiri Ac1, millele
järgneb aeglane jahutus. Aeglane jahutamine Rekristallisatsioonilõõmutus e. rekristallisee- õhu käes
riv lõõmutus on madalatemperatuurilise lõõmutuse Kuumutamine o
üheks liigiks, mida kasutatakse eelneva
plastse kuni 500...600 C
külmdeformatsiooni tagajärjel tekkinud
kalestumise kõrvaldamiseks. Rekristallisatsioonilõõmutamisel t Kales- Pingevaba
kuumutatakse terast faasipiirist Ac1 veidi tunud taastunud
madalamate temperatuurideni (kuni 650...700 °C), str-r
seisutatakse ja jahutatakse seejärel aeglaselt. Selle
tulemusena toimub metalli sekundaarne kristallisee-
rumine
rekristalliseerumine , misjuures vanade Sele 1.25. Pingetuslõõmutamine
deformeerunud terade asemele tekkivad uued ja
deformeerunud struktuur kaob. T,ºC
Terase
normaliseerimine 1000
Aeglase
jahtumise tõttu on
valandeis austeniiditera
ja selle lagunemisel tekkinud perliiditera tavaliselt 900
suur. Jämedateralist austeniitstruktuuri (ka perliit- 800
struktuuri) saab parandada termotöötluse teel, mida Soovitatavad
nimetatakse normaliseerimiseks. 700 temperatuurid Normaliseerimine on selline termotöötluse
viis, mille korral terast kuumutatakse 30...50 °C üle 600
faasipiiri Ac3 (Acm), seisutatakse sellel temperatuuril
ja jahutatakse siis õhus. Normaliseerimise tulemusel 500
vähenevad sisepinged ja toimub terase faasiline 400
ümberkristalliseerumine, mis muudab valandite, 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 C,%
sepiste ja keevisõmbluste jämedateralise struktuuri
peeneteralisemaks. Sele 1.26. Pingestuslõõmutustemperatuuri valik Normaliseerimine on lõõmutusega võrreldes
odavam, sest ahju kasutatakse ainult kuumuta-
miseks ja seisutamiseks antud temperatuuril,
- 24 - jahutamine toimub juba õhus. T Seisutus kuni struktuuri Normaliseerimise tulemusena muutub teras ühtlustumiseni
peeneteralisemaks, tugevus ja kõvadus on suurem
kui lõõmutatud terasel. Normaliseerimist kasuta- Jahutus õhu käes
takse terase lõiketöödeldavuse parandamiseks ning kuni toatempe-
sageli karastamise eeloperatsioonina. ratuurini Kuumutus 30...50 oC
Terase karastus üle faasimuutuste
Karastuseks nimetatakse termotöötluse viisi, mille temperatuuri
tulemusel saadakse ebastabiilne (mittetasakaalu- t
line) martensiitstruktuur, mille kõvadus on suur (kuni
65HRC). Terase tavakarastamine eeldab järgmisi Jäme struktuur Peen struktuur
etappe :
1) terase kuumutamine üle faasipiiride Ac1 (pool- Sele 1.27. Normaliseerimine karastus) või Ac3 (täiskarastus), et tagada lähtestruktuuris vajaliku austeniidi teke; T,ºC
2) seisutamine sellel temperatuuril, et tagada kogu detaili ulatuses antud temperatuurile vastava 1000 Soovitatavad homogeense struktuuri teke; 900 temperatuurid
3) jahutamine kiirusega, mis on karastatava terase kriitilisest jahtumiskiirusest suurem, et vältida 800 austeniidi lagunemist (ferriidi ja tsementiidi) teket. 700
Karastustemperatuur . Süsinikteraste karas- 600
tustemperatuuri valikul on aluseks Fe-Fe3C faasi-
diagrammi teraste osa (sele 1.30). Selle järgi 500
võetakse alaeutektoidteraste (0,2...0,8% C) karas- 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 C,%
tustemperatuur 30...50 °C üle faasipiiri Ac3 (s.o.
täiskarastus), üleeutektoidterastel (C > 0,8%) Sele 1.28. Normalisatsioonitemperatuuri valik o
30...50 C üle Ac1 (s.o. poolkarastus). Alaeutektoidteraste karastustemperatuuri vali- T
kul on lähtutud asjaolust, et karastamisel teisiti A
üle faasipiiri Ac1 (s.o. poolkarastus) säilib struktuuris
kõrvuti martensiidiga ka ferriit, mis vähendab terase
kõvadust pärast karastust. Üleeutektoidterastel on seevastu optimaalne
karastustemperatuur faasipiiride Ac1 ja Acm vahel
(s.o. poolkarastus), mistõttu säilib struktuuris mar-
tensiidi kõrval sekundaarne tsementiit, mis
suuren -
dab terase kõvadust; teisiti karastades üle faasi-
piiri Acm (s.o. täiskarastus), on oht jämedateralise t
struktuuri tekke oht; see teeb karastatud terase
hapraks. F+P M
Jahutuskeskkond . Levinum jahutuskeskkond
on vesi. Vee jahutusvõimele avaldavad mõju selles Sele 1.29. Terase karastamine
leiduvad lisandid. Nii näiteks destilleeritud vesi või
vihmavesi , mis ei sisalda
sooli , jahutavad kaks kor- T,ºC
da aeglasemalt kui
kraanivesi . Vees lahustunud
gaasid halvendavad vee jahutusvõimet, seetõttu 1000
keedetud vesi (või korduvalt kasutatud vesi) Soovitatavad cm
temperatuurid A
võrreldes toorega jahutab intensiivsemalt. 900 A3 Õli jahutusvõime võrreldes veega on 3...4
korda väiksem. Õli kui karastuskeskkonna
eeliseks 800
on tema mittetundlikkus temperatuurile õli jahutab A1
ühesuguse intensiivsusega nii temperatuuril 20 °C 700
kui ka 150...200 °C. Õli puuduseks on tema tule-
ohtlikkus (süttimistemperatuur sõltuvalt õli margist 600
on 150...320 °C piires) ja karastusvõime kadumine
aja jooksul (õli pakseneb). Peale selle õli põleb ja 500
detaili pinnale moodustub oksiidikile. 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 C, %
Sele 1.30. Terase karastustemperatuuri valik
- 25 - Karastusviisid. Olenevalt terase koostisest, Karastunud pinnakiht
detaili mõõtmetest ja
kujust ning termotöödeldud
detaililt nõutavaist omadustest tuleb valida opti-
maalne karastusviis, mis on kõige lihtsamini läbi- Karastuvuse sügavus
viidav kuid kindlustab ühtlasi ka vajalikud oma-
dused. Mida keerukama kujuga on termotöödeldav
detail, seda hoolikamalt tuleb valida jahutamis- Mittekarastunud
tingimused, sest keerukamal
detailil on tavaliselt südamik
suurem ristlõigete erinevus ning seda suuremad
sisepinged tekivad tema jahutamisel. Sele 1.31. Mitteläbikarastunud terasdetaili ristlõige Mida rohkem sisaldab teras süsinikku, seda
suuremad on karastamisel
mahumuutused , ning T
mida madalamal temperatuuril muutub austeniit
martensiidiks, seda suurem on oht deformat- 500...670 ºC
sioonide, pragude, pingete ja teiste karastus-
defektide tekkeks ning seda hoolikamalt peab
valima terase jahutamisreziimi. Lähtudes jahutuskiirusest ja jahutuskeskkon-
nast (vesi, õli või
kombineeritud moodus läbi vee
õlisse) eristatakse mitmeid karastusviise: tava- t
karastus, katkendkarastus, astekarastus, isoterm-
karastus jt. Tavakarastus e. ühes keskkonnas (vannis) | Karastamine | | Noolutamine |
karastus (vees või õlis) on lihtsamaid karastusviise.
Vajaliku temperatuurini
kuumutatud detail
jahuta - Sele 1.32. Terase parendamine
takse karastusvedelikus kuni täieliku mahajahtu-
miseni. Seda viisi kasutatakse süsinik- ja legeer- T
terastest
lihtsate detailide karastamisel. Katkendkarastuse e. kahes keskkonnas
karastuse korral jahutatakse detaili alguses kiirelt,
seejärel aeglaselt jahutavas keskkonnas. Tavaliselt
jahutatakse
esmalt vees, et vältida austeniidi
lagu -
nemist, seejärel aga õlis või õhus, mis tagab detaili
aeglase jahtumise martensiidi tekke piirkonnas.
Sellist karastusviisi kasutatakse süsinikterastest töö- t
riistade valmistamisel. Astekarastuse korral jahutatakse detaili kesk-
konnas , mille temperatuur on antud terase marten- | Karastamine | | Noolutamine |
siitmuutuse algtemperatuurist kõrgem. Selles keskkonnas jahutamisel ja seisuta- Sele 1.33. Terase astekarastus
misel peab karastatav detail kogu ristlõike ulatuses
omandama karastuskeskkonna temperatuuri. Selle- Tsementiitimine
le järgneb lõplik, tavaliselt aeglane jahutamine, mille T o o t -l ca 900 C
jooksul tegelikult toimubki karastamine, s.t. auste-
niidi muutumine martensiidiks. Jahutamine Isotermkarastuse e. beiniitkarastuse korral karastustemperatuurini
jahutatakse terast martensiitmuutuse algtempera-
tuurist kõrgemal temperatuuril (250...350 °C) seisu-
tusega kuni austeniidi lagunemiseni ferriidi ja
tsementiidi seguks beiniidiks. Pindkarastamist kasutatakse selleks, et anda
detaili pinnakihile suur kõvadus, mis annab suure
kulumiskindluse; samal ajal säilib sitke südamik, mis
ühtlasi tagab detaili vastupanu dünaamilisele koor- t
musele. Sel eesmärgil kasutatakse ka termo-
keemilist töötlust (tsementiitimist, nitriitimist jt.), kuid
viimasega võrreldes on pindkarastus märksa kiirem. | Karastamine | | Noolutamine |
Sele 1.34. Pindkõvendamine tsementiitimisega
- 26 - Põleti
Pinnakihi kuumutamine võib toimuda a) atsetüleenihapnikuleegiga, b)
induktsioon - e. kõrgsagedusvooluga, Detail c) elektrolüüdis, d) sulametallis või -soolas, Veepihusti e)
laser - või elektronkiirega.
Terase
noolutus Terase karastamisel, mil austeniit muutub martensii- Karastatud pind
diks , saavutatakse suur kõvadus see on ka karas-
tuse põhieesmärk. Ühelt poolt jahtumisel tekkivad
termopinged, teiselt poolt martensiidi suur kõvadus Sele 1.36. Leekkarastamine
tingivad karastatud terase vähese vastupanu löök-
koormustele ja deformatsioonidele. Neid omadusi
aga on võimalik karastatud terase järgneva töötlemi-
sega noolutamisega parandada. Noolutus seisneb terase kuumutamises Veepihusti Induktor
temperatuurini alates 200 °C, seisutamises sellel
(vähemalt tunni) ja jahutamises (tavaliselt õhus).
Selline noolutus sobib eriti tööriistaterastele, millelt
nõutakse suurt kõvadust. Noolutus tõstab märga-
tavalt terase sitkust. Erinevalt tööriistaterastest (eesmärgiks on
maksimaalne kõvadus) püüeldakse konstruktsiooni- Karastatud
teraste korral suure sitkuse ja tugevuse poole. See pind
saavutatakse noolutusega suhteliselt kõrgel tempe-
ratuuril (450...650 °C, jahutus õhus). Sellist karas- Sele 1.37 Induktsioonkarastamine
tust järgneva kõrgnoolutusega nimetatakse
paren -
damiseks (sele 1.32). Saadakse ferriidipõhjal tera-
line tsementiidiosakestega struktuur sorbiitstruk- Malm
tuur. Vedruteraste korral kasutatakse kesknoolutust
(300...400 °C),
saades elastse troostiitstruktuuri. Malmideks nimetatakse terastega võrreldes suurema süsinikusisaldusega (üle 2,14%) rauasüsiniku- sulameid. Malmid liigitatakse süsiniku oleku järgi kahte gruppi: T 1) malmid, kus kogu süsinik on seotud olekus tsementiidis (Fe3C). Need on seotud süsinikuga malmid e. valgemalmid; Nitriitimine 2) malmid, kus kogu süsinik või suurem osa sellest o o t -l ca 500...600 C on vabas olekus grafiidina. Need malmid on tuntud grafiitmalmidena (tuntumad neist on hallmalmid). Suure süsinikusisalduse tõttu on malmi struktuuris kõva ja habras
eutektikum ledeburiit (valge- Kõva pinnakiht
malmis ) või süsinik grafiidina (libleja,
keraja või t pesajana). Nii ledeburiit kui ka
grafiit teevad malmi hapraks, mistõttu ei saa ühtki malmiliiki surve- töödelda sepistada, valtsida jne. Seepärast kasutatakse malmi valusulamina. Kõige rohkem Sele 1.35. Pindkõvendamine nitriitimisega kasutatakse selleks otstarbeks alaeutektoidse koos- tisega
hallmalmi . Sellisel malmil on suure süsiniku- sisalduse tõttu terasega võrreldes madalam sulamistemperatuur ja väiksem kristalliseerumise vahemik (seda väiksem, mida lähem on malmi koostis
eutektoid ). See soodustab valuomadusi: malmil on hea vedelvoolavus, väike kahanemine, vähene külgepõlemine. Sulamalm võib paljude mõjurite (jahtumis- kiirus, keemiline koostis jt.) tõttu kristalliseeruda nii ebastabiilse (Fe-Fe3C) kui ka stabiilse (Fe-C) faasidiagrammi kohaselt. Esimesel juhul (lisandite puudumisel ning aeglasel jahtumisel) saame
kristal -
- 27 - liseerumisel valgemalmi struktuuri. Nii saadud
valgemalmi kasutatakse enamasti tempermalmi G
tootmiseks. Teisel juhul (Fe-C faasidiagrammi koha- a)
selt) kristalliseerub grafiit räni
olemasolul vahetult
vedelfaasist ja nii saame vaba grafiidiga malmid. Liblegrafiitmalm e. Rohkem kasutatavate malmiliikide (libleja ja
hallmalm keraja grafiidiga malmid,
tempermalm ) struktuuris
on grafiit. Grafiidi tekkimist soodustavad malmi aeg
jahtumine (
valamine liivsavivormi) ja malmi suur
ränisisaldus. Mida rohkem on malmis süsinikku ja
räni, seda rohkem tekib ka struktuuri
grafiiti . Malm- G
valandi jahtumiskiiruse suurenemine aga takistab b)
grafiidi eraldumist mõjutab
soodsalt tsementiidi
Grafiitmalmid
(Fe3C) tekkimist.
Keragrafiitmalm Räni on malmi tähtsamaid lisandeid, mille
toime avaldub nii sulamalmi kristalliseerumisel kui ka
faasimuutustel tardolekus. Räni on põhiliseks ele-
mendiks, mille abil on võimalik saada vajaliku struk-
tuuriga malmi, kuna süsinikusisaldust on võimalik
muuta vaid väga vähestes piirides. Kõrgetel tempe- G c)
ratuuridel soodustab räni tsementiidi lagunemist,
mille tulemusena tekib grafiit. Sel juhul osutub räni
elemendiks , mis nõrgestab raua ja süsiniku aatomite Tempermalm
vahelist sidet nende ühendis tsementiidis. Kristalliseerumise käiku on võimalik ka muuta,
lisades sulamalmile lisandeid, mis ei lahustu või
moodustavad lahustumatuid osi ning osutuvad
grafiidi eraldumisel kristalliseerumiskeskmeteks.
Selle tulemusena on võimalik saada peenemate d)
grafiidiosakestega tugevamat malmi. Sellist prot-
sessi nimetatakse modifitseerimiseks, lisandeid
modifikaatoriteks ja vastavaid malme
modifitseeritud Valgemalm
malmideks. Malmi mehaanilised omadused olenevad
suurel määral grafiidiosakeste kujust ja mõõtmetest
mida väiksemad on grafiidiosake-sed, seda
paremad on mehaanilised omadused. Teiselt poolt
mõjutab omadusi
metalse põhimassi struktuur. Sele 1.38. Grafiitmalmide ja valgemalmi struktuur Jahtumisel laguneb temperatuuril 727 °C
malmi struktuuris olev austeniit ja tekib ferriiditse-
mentiidi segu perliit. Sõltuvalt malmi keemilisest
koostisest, (eelkõige ränisisaldusest) ja jahtumise Grafiidiosakeste kuju mõju malmi
kiirusest võib malmi metalne põhimass koosneda tugevusele ja plastsusele
kas ferriidist, ferriidist ja perliidist või perliidist. 2 Rm, N/mm A, %
Hallmalm Liblegrafiit 350 0
Tavaliselt on kristalliseerumisel tekkinud grafiit Keragrafiit 1000 2...20
liblejas. Niisuguse grafiidiga malmi tema murde- Pesagrafiit 800 2...12
pinna hallist värvusest tulenevalt nimetatakse
hallmalmiks. Grafiidiosakeste kuju, vaadelduna mik- Hallmalmi metalne põhimassi struktuur võib
roskoobi all, on esitatud selel 1.38a. Liblegrafiit olla perliit, perliit+ferriit või ferriit. Vastavalt sellele
vähendab malmi tõmbetugevust ning eriti plastsust nimetatakse malmi perliit-, ferriitperliit- või
(katkevenivus A on peaaegu null, sõltumata metalse ferriithallmalmiks.
põhimassi struktuurist). See-eest sõltuvad surve-
tugevus ja kõvadus peamiselt metalse põhimassi Suurima
tugevusega on perliithallmalm (nimeta-
struktuurist. takse ka kvaliteetmalmiks). Kõigi libleja grafiidiga Kuna hallmalmi struktuur kujuneb malmi hallmalmide plastsus (sitkus) on aga väga väike
kristalliseerumisel ja valandi jahtumisel vormis, siis katkevenivus ei ületa 0,5%.
on hallmalm kõige odavam ja seda kasutatakse
tööstuses laialdaselt. Keragrafiitmalm Keraja grafiidiga malmid saadakse sulamalmi modi- fitseerimisel magneesiumi või tseeriumiga, mida lisatakse 0,1...0,2 massiprotsenti.
- 28 - Selel 1.38b on näha grafiidiosakeste tüüpi- Tempermalm
line kuju keragrafiidiga malmis. Metalse põhimassi Valgemalmide struktuuri kujunemine on jälgitav Fe-
struktuur võib olla keraja grafiidiga malmil analoog- Fe3C faasidiagrammil. Valgemalmi süsinikusisal-
selt liblegrafiidiga malmiga kas ferriit, ferriit+perliit dusega 2,2...3,0% ja ränisisaldusega 0,7...1,5%
või perliit. kasutatakse tempermalmist valandite tootmiseks. Keragrafiit nõrgestab metalset põhimassi Vastav tehnoloogiline protsess seisneb selles, et
tunduvalt vähem kui pesaline või libleline ja seetõttu valgemalmi struktuuriga valandeid lõõmutatakse
on keragrafiidiga malmid heade mehaaniliste oma- pikka aega temperatuuril 950...1050 °C. Nendel
dustega. temperatuuridel koosneb malmi struktuur auste- Keragrafiidiga malmide plastsus (katkeveni- niidist ja tsementiidist. Viimane laguneb pikaajalisel
vus A 15...20% ferriitsetel, 2...3% perliitsetel malmi- seisutamisel ja tekib vaba süsinik grafiit. Kuna siin
del) on tunduvalt suurem kui liblegrafiidiga malmil. on iseärasuseks grafiidi tekkimine tardolekus, siis on tal ka iseloomulik kuju pesajas (sele 1.38c). Sellist
Valgemalm grafiiti nimetatakse ka lõõmutussüsinikuks ja ta on
Kui malmis on grafitiseerivaid lisandeid (näiteks Si) tempermalmi struktuuri iseloomulikumaks tunnuseks
vähe või on jahtumiskiirus suur, siis kulgeb kristalli- Kui jahutada malmi mõõduka kiirusega alla
seerumine ebastabiilse Fe-Fe3C faasidiagrammi 727 °C, laguneb austeniit perliidiks ning saame
järgi ja grafiiti üldse ei eraldu. Niisugust malmi nime- perliitmalmi; aeglasel jahutamisel temperatuuri-
tatakse tema heleda murdepinna pärast valge- vahemikus 740...710 °C või seisutamisel tempera-
malmiks . Valgemalmi struktuuris (eelkõige pinna- tuuril 700...710 °C laguneb tekkinud
perliidi koos-
kihis) on palju tsementiiti (peamiselt ledeburiidis) ja tises olev tsementiit. Vastavalt sellele tekib ferriit-
seetõttu on valgemalmist
valandid suure kõvaduse struktuuriga metalne põhimass ja saadud malmi
tõttu raskesti lõiketöödeldavad. Valgemalmi struk- nimetatakse ferriittempermalmiks. Toodetakse ja
tuuriga valandeid (sele 1.38d) kasutatakse tehnikas kasutatakse nii perliit- kui ka ferriittempermalme.
harval vajadusel, näiteks valtsirullide tarvis. Mõni- Tempermalmi tugevusomadused on võrrelda-
kord peavad detaili teatud kohad olema kõvemad vad keraja grafiidiga malmi omadustega. Nii
temper -
(kulumiskindlamad). Siis jahutatakse
metallvormi malm kui ka keragrafiidiga malm on suhteliselt
neid kohti valamisel, et
valand seal kiiresti jahtuks ja sitked (vastupidavad löökkoormustele), mistõttu neid
pinnakihis tekiks valgemalmi struktuur. Sellist malmi kasutatakse selliste valandite valmistamiseks, mis
nimetatakse valgendatud malmiks. Näiteks võivad töötavad dünaamilisel koormusel.
automootori nukkvõlli nukid olla valgendatud Kõige paremate plastsusnäitajatega (katke-
malmist . venivus A on kuni 10...12%) on ferriittempermalm,
Struktuurilt (faasidiagrammi järgi) jagunevad mis küllaldase tugevuse juures on perliitsest tundu-
valgemalmid kolme rühma:
valt sitkem.
1) eutektoidsed, C=4,3%, struktuur Le; Tempermalmidel on head mehaanilised oma-
2) alaeutektoidsed, C
50 punkti
Autor soovib selle materjali allalaadimise eest saada 50 punkti.
~ 86 lehte
Lehekülgede arv dokumendis
2008-11-20
Kuupäev, millal dokument üles laeti
340 laadimist
Kokku alla laetud
0 arvamust
Teiste kasutajate poolt lisatud kommentaarid
Kennet282
Õppematerjali autor
annaabi.ee 
Kõik kommentaarid