Materjaliõpetuse eksami kordamisküsimuste vastused. (0)

MATERJALIÕPETUS
( kordamiseks )
1.Metallide ja sulamite struktuur ning omadused:
- metallide struktuur:
Metallide kristalliline struktuur
Aatomkristallilise või lihtsalt kristallilise struktuuri all mõeldakse aatomite (ioonide)
omavahelist paigutust reaalselt esinevas kristallis.
Metallis paiknevad aatomid kindla seaduspärasuse kohaselt, moodustades korrapärase
kristallivõre. Selline aatomite paigutus vastab aatomite omavahelise mõju minimaalsele
energiale (aatomite ideaalsele paigutusele).
- kristallvõre tüübid,
Erinevatest võreelementidest ja paigutuse motiividest lähtudes võivad aatomid paigutuda
regulaarselt teatud korra kohaselt, mille tulemusena tekib kristalliline struktuur. On ka
võimalik, et tavaline aatomite või aatomite rühmade korduvus kristallis on piiratud.
Kristallivõre elemendid (võreelemendid) võivad olla
a) primitiivsed e. lihtsad (primitive, simple ) – aatomid paiknevad ainult võreelemendi
sõlmpunktides (tippudes);
b) ruumkesendatud ( body -centred) – lisaks võreelemendi tippudes olevaile aatomeile
paikneb üks aatom võreelemendi sees diagonaalide sõlmpunktis;
c) tahkkesendatud (face-centred) – lisaks võreelemendi tippudes olevaile aatomeile
paiknevad aatomid iga tahu keskel diagonaalide sõlmpunktides;
d) põhitahkkesendatud ( base -centred) – lisaks võreelemendi tippudes olevaile aatomeile
paiknevad aatomid põhitahkude keskel diagonaalide sõlmpunktides.
VAATA KA TABELIT, RMT LK 9
-võret iseloomustavad suurused
1) võreperiood (lattice parameter , lattice constant ) (telgühikud a, b, c vastavalt x-, y- ja ztelje
sihis), s.o. lähimate paralleelsete aatomtasandite vaheline kaugus (on vahemikus
0,1...0,7 nm);
2) võrebaas (n) (lattice base, lattice basis ), s.o. aatomite arv, mis tuleb võreelemendi
kohta. Kuupvõre korral tipus olev aatom kuulub 1/8-ga võreelemendile, aatom serval
– 1/4-ga, aatom tahul – 1/2-ga, aatom võre sees – tervenisti võreelemendile,
heksagonaalvõre korral tipus olev aatom kuulub 1/6-ga võreelemendile jne. Nii on
ruumkesendatud kuupvõre baas n=2 (8 aatomit võre sõlmpuktides – tippudes x 1/8 + 1
aatom ruumis), tahkkesendatud kuupvõre korral n=4 (8 aatomit tipus x 1/8 + 6 aatomit
tahkudel x 1/2), kompaktse heksagonaalvõre baas n=6 (12 aatomit võre sõlmpunktides –
tippudes x 1/6 + 2 aatomit põhitahkudel x 1/2 + 3 aatomit ruumis);
3) võre koordinatsiooniarv (k) (lattice coordination number), s.o. võreelemendis
antud aatomile lähimal ja võrdsel kaugusel olevate aatomite arv (koordinatsiooniarv
on aluseks ka kristallivõrede tähistamisel: nii tähistame lihtsat kuupvõret
koordinatsiooniarvuga 6 tähisega K6, ruumkesendatud kuupvõret – K8,
tahkkesendatud kuupvõret – K12; lihtsat heksagonaalvõret – H6, kompaktset
heksagonaalvõret – H12; lihtsat tetragonaalvõret – T4, ruumkesendatud
tetragonaalvõret – T8);
4) aatomiraadius (R) ( atomic radii), s.o. lihtsa kuupvõre K6 korral pool
aatomitevahelisest kaugusest e. võreperioodist a; ruumkesendatud kuupvõre K8 korral
R = a
4
3
; tahkkesendatud kuupvõre K12 korral R = a
4
2
5) võre kompaktsusaste e. ruumpakketihedus (_) (lattice compactness step, atomic packing
density ), s.o. võreelemendi kohta tulevate aatomite ruumala suhe võreelemendi
ruumalasse (kristallivõrel H6 on see 0,52; K8 – 0,68; kristallivõredel K12 ja H12 –
0,74). Eristatakse veel aatomite tasandpakketihedust (atomic planar density) ja
joonpakketihedust (atomic linear density).
Mida suurem on kristallivõre koordinatsiooniarv, seda suurem on võre kompaktsusaste.
, polü- ja isomorfism ;
Mõnedel metallidel on sõltuvalt temperatuurist enam kui üks kristallivõre tüüp. Seda erinevatekristallivõrede esinemist ühel metallil nimetatakse polümorfismiks (polymorphism). Tuntumaksnäiteks võib tuua raua ja titaani.
Erinevate metallide kristallivõrede samakujulisust nimetatakse isomorfismiks (isomorphism).
- metallide tegelik struktuur (aatomite pakketihedus, amorfsed metallid, difusioon ;
Aatomite pakketihedus
Mis tahes tüüpi kristallivõres paiknevad aatomid korrapäraselt, kuid aatomite arv –
pakketihedus (packing density) kristallivõre erinevates tasandites ja suundades on erinev
Amorfsed metallid
Kui sulametalli (või sagedamini sulamit) jahutada väga kiiresti (kiiremini kui 106 °C_s-1), siis ei jõua vedelas lahuses juhuslikult paiknevad aatomid paigutuda ümber korrapäraselt vastavalt kristalsele
struktuurile. Saame nn. klaas- või amorfse metalli või sulami (amorphous metal , amorphous alloy,
metal glass, metaglas), millel puudub metallile või sulamile omane korrapärane aatomite paigutus.
Amorfne olek on seda püsivam, mida keerulisem on metalli või sulami kristallivõre ja mida suurem
on aatomite vastastikune mõju (suurem on ta metalli ja mittemetalli sulamite korral). Koostise
poolest on kergemini saadavad ja püsivamad kahe- ja enamakomponentsed sulamid .
Amorfsetel metallidel on suurepärane korrosioonikindlus , head elektri- ja magnetomadused (üldiselt
suuremad kui vastavatel kristalsetel materjalidel).
Difusioon
Paljud metallides ja sulamites toimuvad protsessid, eriti kõrgetel temperatuuridel , on seotud
difusiooniga ( diffusion ). Metalli aatomite liikumist kristallivõre sõlmpunktist naabersõlmpunkti või nende vahele temperatuuri mõjul nimetatakse omadifusiooniks (self-diffusion). Erisuguste aatomite liikumist, millega kaasneb sulami koostise (komponentide sisalduse) muutus selle üksikutes osades,
nimetatakse heterodifusiooniks (heterodiffusion).
Difusiooniprotsessid võivad toimuda mitmete mehhanismide kohaselt (vahetus-,
sõlmedevaheline, vakants- jm. mehhanism ). Realiseerub see difusioonimehhanism, mille korral on
energeetiline barjäär (aktivatsioonienergia), mida liikuvad aatomid ületavad, minimaalne.
- vabakristalliseerumine;
Vabakristalliseerumine
Kristalliseerumiseks e. kristallisatsiooniks (crystallization) nimetatakse vedela metalli
üleminekut tahkesse (kristalsesse) olekusse – ka tardumine (solidification). Kristalliseerumine
leiab aset siis, kui süsteem läheb üle termodünaamiliselt püsivamasse, vähima vaba energia
olekusse, s.t. et kristallide vaba energia ( Gibbsi energia) on väiksem vedela oleku vabast
energiast, s.o. vabakristalliseerumine (free crystallization).
- sulamite struktuur:
Metallisulami ehitus on keerukam puhta metalli ehitusest ja sõltub sellest, kuidas toimivad
omavahel kristalliseerumisel sulamit moodustavad komponendid. Sulami komponendid võivad omavahel reageerida, moodustades keemilisi ühendeid, või vastastikku lahustuda üksteises,moodustades tardlahuseid. Kui keemilist reaktsiooni ega lahustuvust ei esine, võib struktuur koosneda üksikute komponentide mehaanilisest segust.
- metallisulamite faasid ;
Faas ehk aine faas on aine olek, milles keemiline koostis ja füüsikalised omadused on selle aine ulatuses ühesugused. Faas on struktuurivorm.
Täpsem seletus on, et faas on heterogeense termodünaamilise süsteemi (näiteks sulamisüsteemi) kõikide ühtsete füüsikaliste omadustega (murdumisnäitaja, kristallisüsteem, tihedus) ja ühesuguse keemilise koostisega osade kogum.
Erinevad faasid on üksteisest eraldatud piirpinnaga, erinevatel faasidel on erinevad omadused, näiteks teistsugune tihedus, kristallistruktuur või värvus.
On olemas homogeenseid ja heterogeenseid sulamisüsteeme, mis koosnevad vastavalt ühest ja kahest faasist.
Sageli käsitletakse faase kui aine erinevaid olekuid (vedel, tahke, gaasiline, plasma ). Tegelikult hõlmab faas nii aine olekut kui ka oleku sees toimuvaid struktuurimuutusi.
Kui näiteks sulam läheb vedelast olekust tahkesse, siis muutub ka selle faas. Aga ühes agregaatolekus olev aine võib olla mitmes teineteisest erinevas faasis. Näiteks grafiit ja teemant on sama aine erinevad faasid - keemiline koostis on identne, aga aine struktuur on erinev.
Protsessi, kus aine läheb ühest faasist teise, nimetatakse faasisiirdeks, mille tunnuseks on aine omaduste oluline muutus. Soojushulka, mis neeldub või eraldub aine massiühiku kohta, nimetatakse siirdesoojuseks. Faasisiirde tagajärjel muutub aine struktuur.
- sulamite kristalliseerumine;
Vedelas olekus lahustub enamik metalle üksteises piiramatult, moodustades ühtlase
vedellahuse. Ainult üksikud metallid, näiteks raud ja tina, vask ja tina, praktiliselt ei lahustu
vedelas olekus, moodustades kaks erinevat vedelfaasi kihti.
Sulamite üleminek vedelfaasist tahkesse toimub, nagu puhastel metallidelgi, teatud
allajahutusastme korral, kui tardfaasi vaba energia (Gibbsi energia) on väiksem vedelfaasi
vabast energiast. Kristalliseerumisprotsess kujutab endast
kristallisatsioonikeskmete tekkimist ja nende järgnevat kasvu.
Vedelfaasist tekkivad tardfaasid erinevad koostiselt vedelast lähtefaasist. Seetõttu on püsivate
kristallisatsioonikeskmete tekkimiseks vaja koostise kõrvalekaldeid sulami keskmisest
koostisest vedelfaasi mikromahtudes. Sellised erineva koostisega alad (mikromahud) tekivad
vedelfaasis aatomite difuusse liikumise tagajärjel ja kui nende maht ületab kriitilise , tekivad
püsivad kristallisatsioonikeskmed, mis on võimelised kasvama.
- faasidiagramm ( faasidiagramm komponentide piiramatu või piiratud lahustuvuse korral, sulamite korral,mille komponendid teineteises ei lahustu, keemilisi ühendeid moodustavate komponentide korral, komponentide polümorfismi korral, seos faasidiagrammi ja sulamite omaduste vahel ) RAAMAT LK 34.
- metallide ja sulamite füüsikalised ja mehaanilised omadused;
Füüsikalised omadused.
Tihedus- kergmetalle ja - sulameid ,
mille tihedus on üle 5000 kg/m3 ( liitium , berüllium, magneesium , alumiinium , titaan jt.),
raskmetalle ja -sulameid, mille tihedus ületab 10 000 kg/m3 ( plaatina , volfram,
molübdeen, plii, tina jt.) ning keskmetalle ja -sulameid (tihedus üle 5000 kuid alla 10 000 kg/m3).
Sulamistemp- Metallid liigitatakse sulamistemperatuuri järgi kergsulavaiks metallideks
ja sulameiks, mille sulamistemperatuur ei ületa plii oma, s.o. 327 °C (tina, plii, antimon , elavhõbe jt.), rasksulavaiks metallideks ja sulameiks, mille sula-mistemperatuur ületab raua oma, s.o. 1539 °C(volfram, tantaal , molübdeen, nioobium, kroom , vanaadium, titaan jt.) ja kesksulavateks metallideks ja sulamiteks (sulamistemperatuur üle plii, kuid alla raua sulamistemperatuuri).
Kõvadus.
Nimetatakse materjali omadust vastupanna teistele temasse tungivatele materjalidele
Soojuspaisumine.
Soojendamisel keha mõõtmed muutuvad. Harilikult iseloomustatakse soojuspaisumist
ruumpaisumis- teguriga (vedelikud, gaasid) või joonpaisumis-teguriga (tahkised).
Soojusjuhtivus .
Soojusjuhtivus iseloomustab soojuse kandumist ühest osast teise
paigalseisvas aines.
Korrosioonikindlus .
Korrosiooniks nimetatakse materjali ja keskkonna (õhk, gaasid, vesi, kemikaalid)
vahelist reaktsiooni, milles materjal hävib.
Mehhaanilised omadused.
Tugevus.
Selleks nim materjali omadust vastupanna pidevalt mõjutavale jõule.
Olenevalt deformeeriva jõu suunast võime liigitada järgmisi tugevusi: tõmbe-, surve-, pained-, väände ja nihketugevus .
Sitkus
Materjali sitkuse määramine – seda määratakes löögikatsega pendelvasara abil selleks valmistatakse proovikeha .
Plastsus
on materjali võime purunemata muuta talle rakendatud väliskoormuse mõjul oma kuju ja mõõtmeid
ning säilitada jäävat (plastset) deformatsiooni pärast väliskoormuse lakkamist.
- metallide kalestumine .
Metall justkui tugevneb plastse deformatsiooni käigus – leiab aset kalestumine ( work hardening, cold hardening, strain hardening).
Plastse deformatsiooni käigus muutuvad metalli mehaanilised omadused: suureneb
tõmbetugevus, voolavuspiir ja kõvadus, väheneb plastsus – seda enam, mida suurem on
deformatsiooniaste. Põhjuseks on plastse deformatsiooni tulemusena defektide,
eriti dislokatsioonide arvu suurenemine kristallivõres, mis tõstabki vastupanu edasisele
deformeerimisele.
2. Rauasulamid :
- raud ja süsinik,
Suurem osa rauasulamitest on süsinikku sisaldavad sulamid - rauasüsinikusulamid ( iron - carbon alloys), mis jagunevad järgmiselt:
- terased, mille süsinikusisaldus on kuni 2,14%;
- malmid , mille süsinikusisaldus on üle 2,14% (tavaliselt kuni 4%).
Sellise jaotuse eesmärgiks oli algselt eristada survetöödeldavaid rauasüsinikusulameid
mittesurvetöödeldavatest.
Raud (iron) on metallidest tähtsaim, kuid puhtal kujul kasutatakse teda vähe. Põhilised
tehnomaterjalid valmistatakse rauasulamitest. Nende kasutusala on umbes kümme korda
laiem kui teistel metallidel ja nende sulamitel .
Süsinik (carbon) võib esineda mitmel kujul - tuntumalt teemandina (diamond) ja grafiidina
(graphite), vähem tuntumalt fulleriinidena (fullerines). Rauasüsinikusulamites on vabas
olekus süsinik grafiidi kujul – kristallivõre grafiidivõre H3. Grafiidi kristalne struktuur on
kihiline. Grafiidi tugevus ja plastsus on väga väikesed.
- faasid rauasüsinikusulameis,
Ferriit (F) (ferrite) on süsiniku tardlahus rauas . Tehakse vahet madalatemperatuurse ferriidi
(_-ferriidi) ning kõrgetemperatuurse ferriidi (/-ferriidi) vahel. Esimene eksisteerib
temperatuurivahemikus 0...911 °C, teine 1392...1539 °C.
_-ferriit on tardlahus, mis moodustub süsinikuaatomite paigutumisel _-raua ruumkesendatud
kuupvõre tühikutesse, eelkõige tahkudel olevaisse. Kuna tühikute mõõtmed on tunduvalt
väiksemad süsinikuaatomite läbimõõdust (tühikute läbimõõt on 0,062 nm, süsinikuaatomi
läbimõõt 0,154 nm), on süsiniku lahustuvus _-rauas äärmiselt väike: temperatuuril 727 °C
0,02%, toatemperatuuril ainult 0,01%. Ferriit on sitke ja hästi deformeeritav nii kuumalt kui
ka külmalt. Tema kõvadus toatemperatuuril on 60...90 HB. Külmdeformeerimisel kalestub
ferriit nagu puhtad metallidki ja tema kõvadus kasvab märgatavalt. Ferriit on ferromagnetiline
kuni Curie temperatuurini, s.o. kuni 768 °C.
/-ferriidi kristallivõre on ruumkesendatud kuupvõre nagu _-ferriidilgi, kuid kuna ta
eksisteerib tunduvalt kõrgemal temperatuuril kui _-ferriit (temperatuurivahemikus
1392...1539 °C), siis maksimaalne süsiniku lahustuvus temas on 0,1%. Ta ei esine
süsinikterase struktuuris sellistel temperatuuridel, millel terast termotöödeldakse või
kasutatakse, mistõttu pakub väiksemat huvi.
Austeniit (A) (austenite) on samuti raua ja süsiniku tardlahus; süsinikuaatomid on asetunud _-
raua tahkkesendatud kuupvõre aatomitevahelistesse tühikutesse. Tühikute mõõtmed võrreldes
ruumkesendatud kuupvõrega on suuremad (läbimõõt on 0,102 nm), millest tuleneb süsiniku palju suurem lahustuvus _-rauas võrreldes _- rauaga - kuni 2,14% temperatuuril 1147 °C.
Kuigi austeniit pole stabiilne madalatel temperatuuridel (alla 727 °C), võib ta säilida kiirel
jahutamisel suure süsinikusisaldusega terastes ka toatemperatuuril. Suurest C-sisaldusest
tulenevalt on austeniidi kõvadus ferriidi kõvadusest suurem – nii näiteks C-sisaldusele 1,5%
vastab kõvadus 150 HB. Nagu teisedki tahkkesendatud kuupvõrega metallid, on austeniit sitke ja hästi deformeeritav nii kuumalt kui ka külmalt. Austeniit on mittemagnetiline.
Tsementiit (T) e. raudkarbiid (Fe3C) (cementite, iron carbide) on raua ja süsiniku keemiline
ühend, mis sisaldab 25 aatomprotsenti ehk 6,67 massiprotsenti süsinikku. Metastabiilse
faasina laguneb ta kõrgetel temperatuuridel (üle 1300 °C), nii et tal ei ole sõna otseses
mõttes kindlat sulamistemperatuuri. Kuna C-aatomi läbimõõt on 63% Fe-aatomi
läbimõõdust, muutub tsementiidi korral kristallivõre rombiliseks. Kristallivõre
koosneb reast teatud nurga all paiknevast oktaeedrist, mille keskmes paikneb C-aatom.
Kuna iga raua aatom kuulub üheaegselt kahele oktaeedrile, siis kõigi oktaeedrite süsinikuga
täitumise korral kehtib suhe Fe/C = 3/1. Siit tulenevalt ei ole tsementiidi kristallivõres
nihkepindu ja seetõttu on tsementiit habras ja väga kõva (820 HB), kõige kõvem
süsinikterastes esinevatest faasidest .
VAATA RAAMAT LK 75 TABEL
- Fe-Fe3C faasidiagramm,
RAAMAT LK 76
- faasimuutused rauasüsinikusulameis
Perliitmuutus – austeniidi lagunemine feriidiks ja tsementiidiks kui ületatakse faasi piirid. Toimub kõrfetel temp. 500-700 kraadi . Toimub difusioon. Perliidi kõvadus tõuseb feriidi lamellide õhenedes.
Beiniitmuutus – austeniidi lagunemine madalaml temperatuuril kui perliitmuutuses, alla 500 kraadi kui difusiooni protsessid aeglustuvad. Austeniidist eralduva karbiidi tõttu
langeb austeniidi C-sisaldus ja tekib süsinikuga üleküllastunud ferriit. Tekkivast üleküllastunud ferriitsest põhimassist jätkub C-aatomite difusioon austeniidi koostisse.
Martensiitmuutus – toimub madalatel temp. Kui difusiooni protsessid enam ei toimu ja austeniidi lagunemine peatub. Austeniid jääb püsima või muutub C-ga üleküllastunud feriidiks- martensiidiks- , mille C-sisaldus on võrdne lähteausteniidi C-sisaldusega.
Martensiidi vabanemine - Austeniidi kiirel jahutamisel tekkiv martensiit , mille kristallivõre on kergelt tetragonaalne, on metastabiilne, aga sellele vaatamata toatemperatuuril väga püsiv ja kõva. Temperatuuri tõustes või tõstmisel – noolutamisel hakkab martensiit lagunema , mida nimetatakse martensiidi vabanemiseks . Süsinik eraldub, mille lõpptulemuseks on ferriidi ja tsementiidi segu. Selles seisneb Fe-C-sulamites esineva martensiidi erinevus enamikus teistes metallides ja sulamites esinevast martensiidist, kuna viimasest temperatuuri tõustes tekib algfaas, s.t. faas, millest ta kiire jahtumise tagajärjel tekkis.
Austeniitmuutus - Analoogselt rauasüsinikusulamite jahutamisel toimuvate muutustega toimuvad faasimuutused sulamite struktuuris ka kuumutamisel üle faasipiiride. Kuumutades terast üle faasipiiri , leiab aset perliitmuutusele vastupidine muutus
FP+TKAS,
mille tulemusena tekib austeniit. Sellist muutust nimetatakse austeniitmuutuseks e.
austenitisatsiooniks
RAAMAT ALATES LK 81
- terased:
- süsiniku ja tavalisandite mõju terase struktuurile ja omadustele;
Süsinik- C-sisalduse suurenedes kasvab tsementiidi kogus terase struktuuris ning koos
sellega terase kõvadus, tõmbetugevus Rm ja voolavuspiir Rp; vähenevad aga plastsus –
(katkevenivus A ja katkeahenemine Z) ning sitkusnäitajad kasvab aga vastupanu väsimuspurunemisele.
Süsinik avaldab mõju ka terase külmahapruse temperatuurile e. külmahapruslävele,
soodustades terase haprumist madalatel temperatuuridel – iga kümnendik protsent
süsinikku tõstab külmahaprusläve T50 20 °C võrra ja laiendab sitkelt purunemiselt haprale
purunemisele ülemineku temperatuuri intervalli.
C-sisalduse tõusuga kaasneb terase tiheduse vähenemine, kasvab eritakistus , vähenevad soojajuhtivus ja
mõningad magnetilised omadused.
Mangaan ja räni – Räni lahustununa ferriidis tõstab terase voolavuspiiri, mis aga omakorda halvendab terase külmdeformeeritavust. Mangaan tõstab märgatavalt terase tugevust, alandamata seejuures plastsust , ning samal ajal vähendab väävlisisaldusest tingitud kuumahaprust kõrgetel temperatuuridel.
Räni lahustununa ferriidis tõstab terase voolavuspiiri, mis aga omakorda halvendab terase
külmdeformeeritavust.
Väävel – Kahjulik lisand. Väävel vähendab terase löögisitkust, plastsust ja ka väsimustugevust. Madalsüsinikterastes väävlisisaldusega üle 0,01 % alaneb külmahapruslävi, halveneb terase keevitatavus ja korrosioonikindlus. Väävlisisaldus terases on rangelt limiteeritud – sõltuvalt terase kvaliteedist on see 0,035...0,06 % piires.
Fosfor – Nagu väävelgi on kahjulik lisand. Fosfor, lahustudes ferriidis, moonutab selle kristallivõret, tõstab terase tugevus- ja voolavuspiiri, kuid vähendab plastsust ja sitkust. Sitkuse vähenemine on seda märgatavam, mida suurem on terase C-sisaldus. Fosfori eraldumine põhjustab terase haprumist toatemperatuuril, lahustudes ferriidis ja
kontsentreerudes terapiiridel. Seda nähtust nimetatakse külmahapruseks.
Lämmastik, hapnik ja vesinik - Need lisandid esinevad terases mittemetalsete ühenditena nt.oksiididena FeO, Fe2O, MnO, SiO2, Al2O3 jt tardlahustena või vabas olekus. Sisendustüüpi lisandid – lämmastik ja hapnik moodustavad rauaga terade pindmistes kihtides nitriide ja oksiide, tõstavad külmahaprusläveja alanavad vastupanu haprale purunemisele.
Eriti kahjulikuks lisandiks on terases lahustunud vesinik, muutes terase hapraks.
Lisaks haprusele soodustab vesinik terase valtsimisel ja sepistamisel flokeenide teket (väga väikesed ovaalsed või ümarad praod terases), mis murdepinnas on hõbedakarva plekkidena. Flokeenid halvendavad järsult teraste omadusi ja see võib olla otseseks takistuseks ka teraste kasutamisel . Keevitamisel soodustab vesinik terases pragude teket nii põhi- kui keevismetallis .
legeerivate elementide mõju terastes,
Peale süsiniku viiakse terastesse vajalike omaduste saamiseks mitmesuguseid spetsiaalseid lisandeid – legeerivaid elemente nagu Cr, Ni, W, V, Mo, jt.. Legeerivad elemendid on ka Mn ja Si, kui nende sisaldus ületab tavalisandi määra (so. Mn korral 1,65% ja Si korral üle 0,5%).
Nende mõju seisneb selles, et nad asuvad kristallivõres raua aatomite asemele, muutes sulami omadusi. Eristatakse madalalt legeeritud (lisandeid kuni 3%) , keskmiselt legeeritud (lisandeid 3…5%) ja kõrgelt legeeritud (lisandeid üle 5%) teraseid.
Si
0,5
Tõstab voolavuspiiri ja tugevust, halven­dab plastsust.
Mn
1,65
Tõstab terase tugevust, kõva­ dust , elastsust, suurendab läbi­karas­tuvust. Kulu­mis­kindlates terastes ca 13%.
Cr
0,5
Tõstab terase tugevust, kõva­dust, läbikaras­tu­vust, tagab korrosiooni­kind­luse (>12%Cr). Konstrukt­sioo­ni­terastes 1…2%, tööriista­terastes ca 12%.
Ni
0,5
Tõstab terase sitkust, tugevust ja korrosioonikindlust. Kasutatakse koos kroomiga. Konst­ruktsiooniterastes kuni 5%, roostevabades terastes 8…10%.
- teraste liigitus: mittelegeerterased, legeerterased ;
Mittelegeerterased.
Kooskõlas Eurostandardiga (EN 10020) jagunevad mittelegeerterased järgmistesse
alagruppidesse:
a) tavakvaliteetterased e. tavaterased (commercial quality steel ),
b) mittelegeerkvaliteetterased (non-alloy quality steel),
c) mittelegeerkõrgekvaliteetterased e. mittelegeervääristerased (non-alloy high- grade
steel)
Tavakvaliteetterased on määratletud alljärgnevaga:
- need pole harilikult mõeldud termotöötluseks,
- koostis ja põhiomadused on vastavuses piirväärtustega,
- teisi erikvaliteeditunnuseid (sobivus tõmbamiseks, sügavtõmbamiseks,
külmprofileerimiseks jne.) ei tooda, ei sisalda legeerivaid elemente (v.a. Si ja Mn).
Mittelegeerkvaliteetterastele pole esitatud erinõudeid termotöötluse ega mittemetalsete
lisandite osas. Nende kasutamisel on aga kõrgendatud nõuded (nt. hapra purunemise, tera
suuruse, vormitavuse jm. suhtes). Legeerimata kvaliteetteraste hulka loetakse need, mis ei
kuulu tavateraste ega vääristeraste hulka.
Mittelegeervääristerased on erinevalt tavakvaliteet- ja kvaliteetterastest puhtamad
mittemetalsetest lisanditest ja termotöödeldavad (enamasti parendatavad või
pindkarastatavad). Täpse keemilise koostise, erivalmistusviisi ja teimitingimustega on
saavutatavad vastavad mehaanilised ja tarbimisomadused (suur või kitsalt piiritletud tugevus,
läbikarastavus koos nõuetega vormitavuse, keevitatavuse jms. suhtes).
Mittelegeervääristerased on määratletud alljärgnevaga:
- neile esitatakse nõuded löögisitkuse suhtes parendatud olekus,
- tuuakse andmed läbikarastuvuse ja pinnakõvaduse kohta (karastatult ja noolutatult),
- nende S- ja P-sisaldus on kuni 0,020 % sulatises ja kuni 0,025 % tootes , nt. valtstraadis jm.,
- purustustöö löökpaindel on vähemalt 27 J (-50 oC),
- need on terased C-sisaldusega üle 0,25%, karastatavad kontrollitava jahutusega
kuumtöötlustemperatuurilt ja sisaldavad mikrolegeerivaid elemente (V, Nb) lubatud piires.
Legeerterased
Kooskõlas Eurostandardiga (EN 10020) jagunevad legeerterased:
a) legeerkvaliteetterasteks (quality alloy steel),
b) legeerkõrgekvaliteetterased e. legeervääristerasteks (high-grade alloy steel).
Legeerkvaliteetteraste kasutusalad on samad mis mittelegeerterastel, kuid esimesed erinevad
valmistusviisi ja elementide sisalduse poolest . Nad pole reeglina mõeldud kasutamiseks parendatult või pindkarastatult.
Legeerkvaliteetteraste hulka kuuluvad:
- keevitatavate teraskonstruktsioonide, surveanumate ja -torustike terased
- ainult Si või Si ja Al-ga legeeritud eriterased (magnetterased),
- terased rööbaste, sulundtarindite jms. tarvis,
- terased kuum- ja külmvaltsimise ja keeruka survetöötluse teel valmistatavate toodete
tarvis ja B, Nb, Ti, V või Zr-ga legeeritud kahefaasilised nn. dupleksterased,
- ainult Cu-ga legeeritud terased.
Legeervääristeraste erilised töötlus- ja kasutusomadused on tagatud eelkõige täpse keemilise
koostise, valmistusviisi ja temimistingimustega. Siia gruppi kuuluvad eelkõige roostevabad,
kuumuspüsivad ja -kindlad terased, kuullaagri-, tööriista- ning eriomadustega terased:
- roostevabad terased (C-sisaldusega alla 1,2%, Cr-sisaldusega üle 10,5%, Nisisaldusega
alla 2,5 või üle 2,5 %),
- kiirlõiketerased (Mo-, W- või/ja V-kogusisaldusega 7 %),
- muud vääristerased.
Lisaks liigitatakse legeerterased veel väga mitmesuguste tunnuste järgi. Liigituse põhilisteks
alusteks on kasutusala, koostis, termotöötlus ja struktuur.
- legeerkonstruktsiooniterased ( madallegeerterased, kesklegeerterased, kõrglegeerterased, legeertööriistaterased ).
Legeerkonstruktsiooniterased (C = 0,2...0,7%, kul. terased 0,9...1,3%)

• Madallegeerterased (leg. el. g 2,5%)
  
  • ehitusterased
    
  • külmvormitavad terased
    
  • vedruterased (C = 0,5...0,7%, Si = 1...2%)
    
  • kuullaagriterased (C ≈ 1%, Cr = 0,5...0,6%)
    
• Kesklegeerterased (leg. el. 2,5...5%)
  
  • tsementiiditavad terased
    
  • parendatavad terased
    
  • nitriiditavad terased
    
• Kõrglegeerterased (leg. el. üle 5%)
  
  • roostevabad terased
    
  • kuumuskindlad terased
    
  • kulumiskindlad terased
    

Tööriistaterased – Nõuded: kõvadus ja kulumiskindlus, tugevus ja sitkus, soojuskindlus ,
omadused, mis on vajalikud metallide lõike- ja survetöötlemiseks
Eelkõige kõvaduse nõudest tulenevalt on tööriistateraste süsinikusisaldus tavaliselt suurem, võrreldes konstruktsiooniterastega.
3. Malmid:
- grafitiseerimisprotsess ;
osutub grafiit aga püsivamaks faasiks kui tsementiit. See tähendab, et segudel
ferriit - grafiit või austeniit - grafiit on väiksem vaba energia kui segudel ferriit - tsementiit
või austeniit - tsementiit. Järelikult ei soodusta termodünaamilised mõjurid mitte tsementiidi,
vaid grafiidi teket.
Grafiidi teket – grafitiseerumist e. grafitisatsiooni (graphitization) soodustab aeglane
jahutamine ja lisanditest eelkõige räni.
- malmide liigitus, struktuur ja omadused;
Malmid liigitatakse süsiniku oleku järgi kahte gruppi:
1) malmid, kus kogu süsinik on seotud olekus tsementiidi (Fe3C) kujul. Need on seotud
süsinikuga malmid e. valgemalmid;
2) malmid, kus kogu süsinik või suurem osa sellest on vabas olekus. Need on vaba
grafiidiga malmid, tuntud eelkõige hallmalmidena.
Malmi struktuur.
Metalse põhimassi struktuurist lähtudes jagunevad vaba grafiidiga malmid järgmistesse
liikidesse:
1. Perliitmalm (pearlitic cast iron) - mille struktuur koosneb perliidist ja grafiidist.
Kuna perliit on suure tugevusega , aga väikese plastsusega struktuuriosa, siis samasugused
on ka malmid (sellel ei ole tähtsust hallmalmi jaoks, kuna see on igal juhul väikese
plastsusega ja habras).
2. Ferriitmalm (ferritic cast iron) - mille struktuur koosneb ferriidist ja grafiidist.
Ferriidi tõttu on malmil väike kõvadus ja tugevus, kuid suurem plastsus.
3. Ferriitperliitmalm (ferritic-pearlitic cast iron) - mille struktuuris on ferriit ja
perliit ning grafiidiosakesed. Niisugune struktuur on väga sagedane hallmalmi puhul, kuna
erinevate jahtumiskiiruste tõttu ei ole võimalik saada 100 %-lise perliitstruktuuriga malmi.
Kui ferriit- või perliitstruktuur tempermalmide korral saadakse termotöötlusega –
lõõmutamisega, siis teiste malmiliikide (hall- ja keragrafiitmalm ) korral tekib see jahtumise
protsessis. Reeglina kõrvuti perliidiga esineb struktuuris ka ferriit.
Malmi omadused
Malmidel on head valuomadused. Tavalistes tingimustes ei ole sepistatavad. Omadusi mõjutavad sulamis olevad lisandid.
Malmi mehhaanilised omadused olenevad grafiidiosakeste kujust ja mõõtmetest – mida väiksemad on grafiidiosakesed, seda paremad on mehaanilised omadused.
Malmi omadused sõltuvad tema struktuurist. Valgemalm on väga kõva ja habras, hallmalmi
kõvadus on tunduvalt väiksem, kuid liblegrafiidi tõttu on ta samuti habras. Tempermalmil ja
keragrafiitmalmil on teatav sitkus (vastupidavus löökkoormustele) ning seetõttu kasutatakse
neid selliste valandite valmistamiseks, mis töötavad märkimisväärsete dünaamilistel
koormustel.
Grafiiti sisaldava malmi mehaanilised omadused olenevad tema struktuurist, peamiselt
grafiidist . Malmi võib vaadelda terasena, milles esinevat grafiiti võib käsitleda kui
pragusid. Sel juhul sõltuvad mehaanilised omadused grafiidiosakeste hulgast, kujust ja
jaotusest metalses põhimassis. Mida väiksemad on grafiidiosakesed, seda paremad on
mehaanilised omadused.
- lisandite mõju malmi struktuurile.
Tavalisandid
Malm ei ole mitte kahekomponentne rauasüsinikusulam, vaid sisaldab tavalisandeina samu
elemente mis teraski, s.o. räni, mangaani, väävlit ja fosforit , kuid suuremates kogustes kui
teras. Need lisandid mõjutavad oluliselt grafiidi ja metalse põhimassi teket ja järelikult ka
malmi struktuuri ning omadusi.
Räni. Räni mõju malmis on enim kui ühegi teise tavalisandi mõju. Madala Si-sisalduse puhul
moodustub räni tardlahus rauas ning tema mõju grafitiseerimisele praktiliselt puudub. Si mõju
grafitiseerumisprotsessile hakkab järsult avalduma alates Si-sisaldusest 1...1,25% ja on
maksimaalne 3...3,5 % Si-sisalduse juures. Siit tulenevalt on Si-sisaldus hallmalmis tavaliselt
1,2...3,5 % (väiksem suurtes, suurem väikestes valandites). Räni koos süsinikuga määrab ära
tekkiva malmi struktuuri - nii vaba grafiidi olemasolu kui ka metalse põhimassi struktuuri -
Suurema Si-sisalduse puhul austeniit küllastub ning moodustub ebapüsiv ränikarbiid, üle 10%
Si-sisalduse puhul moodustuvad intermetalliidsed ühendid rauaga ning selle tulemusena
saadakse valgemalmi struktuur.
Mangaan. Mangaan tavalisandina viiakse malmi väävli sidumiseks (moodustub MnS) ja selle
kahjuliku mõju vähendamiseks. Siit tulenevalt peab Mn-sisaldus malmis ületama teatud
protsendi (Mn % = 1,7xS% + 0,35), et siduda väävlit ja kõrvaldada väävli takistavat toimet
vaba grafiidi tekkele. Teiselt poolt mangaan, moodustades tsementiidile analoogse karbiidi
Mn3C, soodustab valgemalmi teket, s.o. vähenevad eeldused vaba grafiidi tekkeks. Siit
tulenevalt on Mn-sisaldus vaba grafiidiga malmides ~ 0,5 %, valgemalmis 0,5...1,0 %.
Väävel ja fosfor. Väävli ja fosfori mõju omadustele on vaadeldud teraste puhul (p.2.2.1) ning
see kehtib ka malmide korral. Tavaliselt on aga S- ja P-sisaldus malmides suurem kui terastes.
Väävli mõjul halveneb malmi valatavus ning seetõttu on väikevalandite korral väävlisisalduse
ülemmääraks 0,08 %, suuremate valandite korral lubatakse kuni 0,1...0,12 % väävlit.
Fosfor on malmides erinevalt terastest vedelvoolavust parandav lisand ning seetõttu lubatakse
malmides teda ka rohkem kui terastes (0,1...0,2 %).
Legeerivad lisandid malmis.
Mõnevõrra kasutatakse ka malmi legeerimist, kuigi tunduvalt vähemas ulatuses kui terastel .
Legeerivateks elementideks malmides on samad elemendid, mis terasteski, n.o. mangaan,
räni, kroom, nikkel , molübdeen, vask jt. Lähtudes legeerivate lisandite mõjust grafiidi tekkele
liigitatakse need kahte gruppi:
- grafiidi teket soodustavad lisandid (Si, Ni, Al, Cu, Ti),
- grafiidi teket takistavad lisandid (Mn, Cr, S, O2)
Mangaan. Mangaan tõstab malmi tugevust ja kõvadust, mistõttu on ta põhiliseks legeerivaks
lisandiks kulumiskindlates lible - ja keragrafiidiga malmides.
Kõrglegeeritud mangaanmalmide Mn-sisaldus on piires 4...9 %.
Räni. Räni legeeriva elemendina viiakse malmi selle korrosioonikindluse tõstmiseks
(tavaliselt 6...8%, happekindlates malmides 14...15%), kuid samal ajal muutub malm
hapramaks. Räni on kroomi kõrval põhiliseks legeerivaks lisandiks kuumuskindlates ja
kuumustugevates malmides.
Kroom. Kroom legeeriva elemendina malmis takistab grafitiseerumist ning muudab malmi
struktuuri peeneteralisemaks. Selle tulemusena tõstab kroom malmi tugevust ja kõvadust.
Kroom malmi struktuuris stabiliseerib karbiide ja seega takistab nende lagunemist kõrgel
temperatuuril. Cr-sisaldus kuumustugevas legeermalmis võib ulatuda 15...35 %.
Nikkel. Nikkel malmis nagu teraseski soodustab ühelt poolt austeniitstruktuuri säilimist
toatemperatuuril (alates 5% Ni), teiselt poolt grafitiseerumist - saadakse austeniitmaatriksiga
grafiidiosakestega struktuur. Faasimuutuse mitteesinemisest tulenevalt saadakse
temperatuurist vähesõltuva joonpaisumisega malm. Üheks selliseks malmiks on nn. niresist
(ni-resist), mis sisaldab 2...4% C, 14...30% Ni, 4...7% Cu, 0,5....3,5% Cr ja 1% Mo.
Korrosioonikindluse tagamiseks lisatakse 15...25% Ni, mis garanteerib hea vastupanu
korrosioonile paljudes hapetes ja kõrgendatud temperatuuridel. Hea kulumiskindluse tagab
malm koostisega 3,0...3,6% C, 4,25...4,75% Ni, 1,5...3,0% Cr ja 0,5....1,0% Si. Selline malm
omab ledeburiitmaatriksiga martensiitstruktuuri.
4. Terase termotöötlus:
- termotöötluse põhiviisid,
-survetöötlusmooduste liigitus;
Kuumsurvetöötlus
Terast kuumtöödeldakse, näiteks kuumvaltsitakse, kuumsepistatakse jne. kõrgetel
temperatuuridel, mille juures austeniit kristalliseerub töötlemise ajal. Nii vabaneme
survetöötlemisel tekkivatest sisepingetest ja teras ei kõvene töötluse tagajärjel. Samal ajal
leiavad terase struktuuris aset mitmed muutused: mitteoksüdeerunud poorid keevituvad
kinni, austeniiditera peeneneb kuumtöötlemise temperatuuride õige valiku korral jt.
Lõpptulemusena saame rahuldavate mehaaniliste omadustega terase, mistõttu puudubki
vajadus täiendava termotöötluse järele.
Külmsurvetöötlus (edaspidi külmtöötlus) (cold woking, cold forming ) on selline töötlemine,
mis viiakse läbi rekristallisatsiooni- ja toatemperatuuri vahel. Mida kõrgem temperatuur,
seda väiksemate töötlemisvõimsustega saavutatakse külmtöötlusele vastavad mehaanilised
omadused.
Terase termotöötlus
Terase termotöötlus seisneb materjali kuumutamises üle tema kriitiliste temperatuuride (faasipiiride), sellel temperatuuril hoidmises ning olenevalt järgnevas jahutamise kiirusest, mil faasimuutused kas toimuvad täielikult, osaliselt või üldse ei leia aset. Selle põhjal eristatakse kahte peamist terase termotöötluse protsessi:
• lõõmutamine ( kuumutamine GSK jooneni 700 ~ 8000 C , hoidmine ja aeglasel jahutamisel – faasimuutused toimuvad täielikult, struktuur ühtlustub ja sisepinged materjalis vähenevad minimaalseteks).
• karastamine (kuumutamine FSE jooneni 750 ~9000 C, hoidmine ja kiire jahutamisega – faasimuutused ei leia aset või toimuvad osaliselt, tekivad peeneteraline struktuur ja sisepinged ).
Lõõmutamine - Plastsus suureneb
Sisepinged vähenevad, Survetöödeldavus paraneb , Struktuur peeneneb, Lõiketöödeldavus paraneb
Karastamine - Kõvadus tõuseb, Tugevus suureneb, Kulumiskindlus suureneb,Sitkus väheneb,Tekivad sisepinged
Terase lõõmutus
Lõõmutus on niisugune termotöötlemise viis, kus terast kuumutatakse üle faasimuutuse temperatuuri järgneva aeglase jahutamisega, tavaliselt koos ahjuga. Aeglane jahutamine peab kindlustama austeniidi lagunemise perliidiks. Lõõmutamine on tavaliselt esmane termotöötlusviis, mille eesmärgiks on kas kõrvaldada kuumtöötluse eelmiste operatsioonide (valamise, sepistamise jne.) defekte või valmistada struktuuri ette järgnevateks operatsioonideks (näiteks lõiketöötlemiseks või karastamiseks). Üsna sageli on aga lõõmutamine lõplikuks termotöötlemise viisiks ja seda siis, kui lõõmutatud terase mehaanilised omadused rahuldavad, s.t. pole vaja edaspidist parendamist (karastamist ja noolutamist ).
Lõõmutuse peamine eesmärk on vajalike omaduste tagamine terase ümberkristalliseerimise ja sisepingete kaotamise tagajärjel. Selleks kasutatakse difusiooon-, täis-, pool- ja madallõõmutust.
Difusioonlõõmutust e. homogeniseerimist kasutatakse eelkõige legeerterastest valuplokkide ja valandite keemilise koostise ühtlustamiseks.. Teraseid lõõmutatakse temperatuuril kuni 1100 °C, seisutusaeg 10...20 tundi. Kuumutus ja pikaajaline seisutus põhjustavad struktuuri tera tunduvat kasvamist. Seetõttu on nõutav täiendav termotöötluse operatsioon struktuuri parandamiseks (täis- või pool-lõõmutus).
Täislõõmutuse e. täieliku lõõmutuse eesmärgiks on eelkõige terase struktuuri teralisuse peenendamine ja sisepingete kaotamine. Täislõõmutusel kuumutatakse terast üle faasipiiri temperatuurile vahemikus 750…9000C olenevalt süsiniku sisaldusest piirides 0,2…0,8%. Terase ferriitperliitstruktuur muutub kuumutamisel austeniidiks ning jahutamisel tekib ümber-kristalliseerumisel austeniidist uuesti ferriit ja perliit. Sellise termotöötluse abil saadakse valamisel ja sepistamisel tekkinud jämedateralisest struktuurist peeneteraline.
Poollõõmutus
Suurema süsinikusisaldusega terase (0,5% ja enam) kuumtöötluse kui ka normaliseerimise
tulemusena moodustub struktuur, mis on liiga kõva nii külm- kui ka lõiketöötlemiseks.
Nimetatud juhtudel ja teraste korral kasutatakse madalamatemperatuursemat
mittetäielikku lõõmutamist e. poollõõmutust (partial annealing, incomplete annealing).
Kuna sellise lõõmutamise peaeesmärgiks on terase kõvaduse vähendamine ja plastsuse
suurendamine , siis nimetatakse seda ka pehmelõõmutuseks ( soft annealing). Selle
tulemusena saadakse üleeutektoidteraste struktuuris terajad (sferoidaalsed)
tsementiidiosakesed. Eriti oluline on selliste karbiidiosakestega struktuur kiirlõike- ja
kõrglegeerteraste korral.
Poollõõmutust kasutatakse kõrgsüsinikteraste (üleeutektoidteraste) sisepingete
kaotamiseks, kõvaduse vähendamiseks, plastsuse suurendamiseks ja lõiketöödeldavuse
parandamiseks. Poollõõmutusel kuumutatakse terast tavaliselt üle faasipiiri Ac1, millele
järgneb aeglane jahutus. Praktiliselt erinevad need temperatuurid mõnevõrra ala- ja
üleeutektoidterastel.
Madallõõmutus
Makropinged tekkivad külmtöötlusel, s.t. kalestumisest
plastsel töötlusel, tavaliselt aga valandite ja keevisõmbluste kiirel jahutamisel. Termopinged
tekkivad detaili eri osade vahel temperatuuri erinevustest jahtumisel, faasipinged aga
faasimuutustest. Kõik seda liiki sisepinged avaldavad mõju detaili omadustele. Üldjuhul on need ebasoovitavad, kutsudes esile purunemisi, mis on avariide põhjuseks. Seetõttu püütakse selliste sisepingete tekkimist vältida. Nende tekke ja olemasolu korral tuleks detaile täiendavalt termotöödelda. Selleks sobib madalatemperatuurne lõõmutus e. madallõõmutus (nimetatakse ka pingetustatavaks lõõmutuseks) ( stress relief annealing, low-temperature annealing). Sellist lõõmutust kasutatakse tavaliselt siis, kui terase algstruktuur on sobiv ja puudub vajadus faasilise ümberkristalliseerimisega lõõmutuse järele.
Normaliseerimine
Normaliseerimine on selline termotöötluse viis, mille korral terast kuumutatakse 30...50 °C
üle faasipiiri Ac3 (Acm), seisutatakse sellel temperatuuril ja jahutatakse siis õhus.
Normaliseerimise tulemusel vähenevad sisepinged ja toimub terase faasiline
ümberkristalliseerumine, mis muudab valandite, sepiste ja keevisõmbluste jämedateralise
struktuuri peeneteralisemaks.
Normaliseerimine on lõõmutusega võrreldes odavam termotöötluse moodus , sest ahju
kasutatakse ainult kuumutamiseks ja seisutamiseks antud temperatuuril, jahutamine toimub
juba õhus.
Lõõmutatud ja normaliseeritud madalsüsinik- ja madallegeerteraste omadustel pole praktilist
vahet, mistõttu neid teraseid soovitatakse lõõmutamise asemel normaliseerida.
Terase karastus
Karastuseks nimetatakse termotöötluse viisi, mille tulemusel saadakse ebastabiilne (mittetasakaaluline) martensiitstruktuur, mille kõvadus on suur (kuni 65 HRC).Terase tavakarastamine eeldab järgmisi etappe :
1) terase kuumutamine üle faasipiiride Ad (pool-karastus) või AOS (täiskarastus), et tagada lähtestruktuuris vajaliku austeniidi teke;
2) hoidmine (seisutamine) sellel temperatuuril, et tagada kogu homogeense struktuuri teke;
3) jahutamine kiirusega, mis on karastatava terase kriitilisest jahtumiskiirusest suurem, et vältida austeniidi lagunemist (ferriidi ja tsementiidi)teket.
Karastustemperatuur
Süsinikteraste karastustus temperatuuri valikul on aluseks Fe ja Fe3C faasi- diagrammi teraste osa . Selle järgi võetakse alaeutektoidteraste (0,2...0,8% C) karas-tustemperatuur 30...50 °C üle faasipiiri A^ (s.o. täiskarastus), üleeutektoidterastel (C > 0,8%) 30...50 °C üle Ac1 (s.o. poolkarastus).
Alaeutektoidteraste karastustemperatuuri valikul on lähtutud asjaolust, et karastamisel teisiti -üle faasipiiri Ac1 (s.o. poolkarastus) säilib struktuuris kõrvuti martensiidiga ka ferriit, mis vähendab terase kõvadust pärast karastust.
Üleeutektoidterastel on seevastu optimaalne karastustemperatuur faasipiiride Ad 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 struktuuri tekke oht; see teeb karastatud terase hapraks.
Jahutuskeskkond
Terase karastamisel martensiitstruktuuri saamiseks on vaja austeniit kiirelt alla jahutada
martensiitmuutuse temperatuurideni, kuid mitte kogu temperatuurivahemikus
(kuumutustemperatuurist toatemperatuurini), vaid temperatuurivahemikus 550...650 °C, kus
austeniit on vähima stabiilsusega – ta laguneb suhteliselt kiiresti ferriidi ja tsementiidi
eutektoidseguks. Lisaks temperatuurile sõltub austeniidi lagunemise kiirus ka terase
koostisest. Nendest mõjuritest sõltub terase karastamisel kriitiline jahutuskiirus.
Levinum jahutuskeskkond on vesi. Vee jahutusvõimele avaldavad mõju selles leiduvad lisandid. Nii näiteks destilleeritud vesi või vihmavesi, mis ei sisalda sooli, jahutavad kaks korda aeglasemalt kui kraanivesi . Vees lahustunud gaasid halvendavad vee jahutusvõimet, seetõttu keedetud vesi (või korduvalt kasutatud vesi) võrreldes toorega jahutab intensiivsemalt.
Õli jahutusvõime võrreldes veega on 3...4 korda väiksem. Õli kui karastuskeskkonna eeliseks on tema mittetundlikkus temperatuurile - õli jahutab ühesuguse intensiivsusega nii temperatuuril 20 °C kui ka 150...200 °C. Õli puuduseks on tema tule-ohtlikkus (süttimistemperatuur sõltuvalt õli margist on 150...320 °C piires) ja karastusvõime kadumine aja jooksul (õli pakseneb). Peale selle õli põleb ja detaili pinnale moodustub oksiidikile.
Karastusviisid
Olenevalt terase koostisest, detaili mõõtmetest ja kujust ning termotöödeldud detaililt nõutavaist omadustest tuleb valida optimaalne karastusviis, mis on kõige lihtsamini läbiviidav kuid kindlustab ühtlasi ka vajalikud omadused.
Katkendkarastuse e. kahes keskkonnas karastamise (time hardening, two medium
quenching) korral jahutatakse detaili alguses kiirelt, seejärel aeglaselt
jahutavas keskkonnas. Tavaliselt jahutatakse esmalt vees, et vältida austeniidi lagunemist,
seejärel aga õlis või õhus, mis tagab detaili aeglase jahtumise martensiidi tekke
piirkonnas. Sellist karastusviisi kasutatakse süsinikterastest tööriistade valmistamisel.
Tavakarastus e. ühes keskkonnas (vannis) karastus (vees või õlis) on lihtsamaid karastusviise. Vajaliku temperatuurini kuumutatud detail jahutatakse karastusvedelikus kuni täieliku mahajahtumiseni. Seda viisi käsutatakse süsinik- ja legeerterastest lihtsate detailide karastamisel.
Pindkarastamist kasutatakse selleks, et anda detaili pinnakihile suur kõvadus, mis annab suure kulumiskindluse; samal ajal säilib sitke südamik, mis ühtlasi tagab detaili vastupanu dünaamilisele koormusele. Sel eesmärgil kasutatakse ka termokeemilist töötlust (tsementiitimist, nitriitimist jt.), kuid viimasega võrreldes on pindkarastus märksa kiirem.
Pinnakihi kuumutamine võib toimuda
a) atsetüleenihapnikuleegiga,
b) induktsioon - e. kõrgsagedusvooluga,
c) elektrolüüdis,
d) sulametallis või -soolas,
e) laser - või elektronkiirega.
Terase noolutus
Terase karastamisel, mil austeniit muutub martensiidiks, saavutatakse suur kõvadus – see on ka karastuse põhieesmärk. Ühelt poolt jahtumisel tekkivate termopingete ja martensiidi tekkest tingitud faasipingete olemasolu, teiselt poolt martensiidi suur kõvadus tingivad karastatud terase väikese vastupanu löökkoormustele ja deformatsioonidele. Neid omadusi aga on võimalik karastatud terase järgneva töötlemisega – noolutamisega ( tempering ) – parandada.
Noolutus seisneb terase kuumutamises temperatuurideni alates 200 °C, seisutamises sellel
(vähemalt tunni) ja jahutamises (tavaliselt õhus). Selline noolutus sobib eriti tööriistaterastele,
millelt nõutakse suurt kõvadust - sellist, mis veel ei vähene järgneva kuumenemise (noolutuse) käigus. Noolutus tõstab märgatavalt terase sitkust.
- terase termokeemiline töötlus;
Termokeemiline töötlus erineb teistest termotöötluse viisidest sellepoolest, et
termokeemilisel töötlemisel toimub pinnakihi keemilise koostise muutus, millest tulenevad
ka difusioonist tingitud pinnakihi struktuurimuutused.
eeldab termokeemiline töötlus kolme põhiprotsessi:
dissotsiatsiooni, adsorptsiooni ja difusiooni.
Esimene protsess – dissotsiatsioon (dissociation) - toimub gaasilises keskkonnas ja seisneb
molekulide lagunemises ning difundeeruva elemendi aktiivaatomite tekkes . Näiteks
reaktsioonide
2COCO2+C7
NH33H+N7
tulemusena tekib metallis lahustuv monosüsinik ja -lämmastik.
195
Teine protsess – adsorptsioon (adsorption) – toimub piiril gaas - metall ja seisneb atomaarse
elemendi adsorbeerumises (lahustumises) pinnakihis. See protsess on võimalik ainult siis, kui
difundeeruv element on põhimetallis lahustuv.
Kolmandat protsessi iseloomustab küllastuva elemendi tungimine sügavuti e. difusioon
( difusion ).
Kolme loetletud protsessi tulemusel moodustub difuusne kiht, mille pinnal elemendi
kontsentratsioon on kõige suurem ning mis väheneb kaugenemisega pinnakihist (joon.
2.102).
Kihi sügavus ja kontsentratsioon olenevad kolme loetletud protsessi – dissotsiatsiooni,
adsorptsiooni ja difusiooni intensiivsusest ja vahekorrast. Väikesel difusioonikiirusel
tekib kõrge kontsentratsiooniga , kuid õhuke kiht, suurel aga vastupidi.
- terase termomehaaniline töötlus:
Termomehaaniline (termoplastne) töötlemine (thermomechanical treatment) kujutab endast
kahe tugevdamismooduse – plastse deformeerimise ja karastamise ühendamist. Terase
termomehaaniline töötlemine (TMT) seisneb austeniidi deformeerimises ja jahutamises ning
sellest tulenevates faasimuutustes (martensiidi tekkes või austeniidi lagunemises).
Põhilisteks termomehaanilise töötluse viisideks on kõrge- ja madalatemperatuurne
termomehaaniline töötlus ning ka eespool vaadeldud isotermkarastus sellele järgneva deformeerimisega ja deformatsioonkarastus.
5. Malmi termotöötlus.
Erinevalt terase termotöötlusest kasutatakse malmide korral nende mehaaniliste omaduste
tõstmiseks termilist töötlemist harva, kuna termotöötlusega on võimalik muuta ainult metalse
põhimassi struktuuri (vajaliku struktuuri saab enamikul juhtudel juba valandi tootmisel -
mitte aga grafiidiosakeste suurust, kuju või jaotust.
Malmide korral kasutatakse samu termotöötluse mooduseid, mis teraste korral.
Lõõmutamine on põhioperatsioon valgemalmstruktuuriga valandeist
tempermalmistruktuuriga valandite tootmisel. Hallmalmvalandite korral
kasutatakse lõõmutamist sisepingete kõrvaldamiseks ja kõvaduse vähendamiseks
töödeldavuse parandamise eesmärgil koos plastsuse ja sitkuse tõusuga.
Normaliseerimise eesmärk nii hall-, keragrafiit- kui ka tempermalmide korral on
mehaaniliste omaduste parandamine – tugevuse ja kõvaduse tõstmiseks ning sellega
kaasneva kulumiskindluse tõus.
Karastamine. Karastatakse perliitse või ferriitperliitse metalse põhimassiga vaba grafiidiga
malme (hall-, keragrafiit- ja tempermalme). Tavakarastamisel on malmide
karastustemperatuur sõltuvalt metalse põhimassi C-sisaldusest piires 850...950 oC, jahutus
vees või õlis. Metalse põhimassi kõvadus peale karastamist sõltub otseselt karastusviisist ja
sellest tulenevast struktuurist (martensiitne, beiniitne, perliitmartensiitne)
Pindkarastamisel on karastustemperatuur mõnevõrra kõrgem (hallmalmide korral 850...950
oC, keragrafiitmalmide korral 950...1100 oC), kuumutus kõrgsagedusvooludega (6...10 s),
jahutus vees või õlis.
Noolutamine . Nii nagu terastegi korral, noolutatakse reeglina malme karastuspingete
kõrvaldamiseks ning sitkuse ja plastsuse tõstmiseks. Malmide noolutustemperatuur
analoogselt terastele on piires 150...650 oC sõltuvalt nõutavast kõvadusest ja
sitkusnäitajatest.
6. Alumiinium ja –sulamid.
7. Vask ja vasesulamid .
8. Titaan ja titaanisulamid .
9. Magneesium ja –sulamid.
10. Rasksulavad metallid ja sulamid.
11.Väärismetallid ja –sulamid.
12. Tehnoplastid .
13. Komposiitmaterjalid.
14. Pinded .
Mitteraudmetallid ja sulamid
Mitteraudmetallid ja nende sulamid liigitatakse omadustelt lähtuvalt :
a)tiheduse järgi:
- kergmetallid ja sulamid (tihedus kuni 5000 kg/m3)-Magneesium, alumiinium, titaan jt.
-keskmetallid ja sulamid (tihedus 5000-10000kg/m3)-tina, tsink , vask, nikkel, antimon, kroom jt.
-raskmetallid ja sulamid (tihedus üle 10000kg/m3)-plii, hõbe, kuld , volfram, molübdeen jt.
b)sulamistemperatuuri järgi:
-kergsulavad metallid ja sulamid (sulamistemperatuur ei ületa Pb sulamistemperatuuuri 327'c)
-liitium, tina, plii jt.
-kesksulavad metallid ja sulamid (temp.üle 327'c,kuid alla 1539'c)
-mangaan,vask,nikkel,hõbe,jt.
-rasksulavad metallid ja sulamid (sulamistemperatuur üle 1539'c)
-titaan, kroom, vanaadium, molübdeen, volfram,jt.
Muudest omadustest lähtudes liigitatakse neid väärismetallideks (Pt, Ag. Au jt),
haruldasteks metallideks (Li, Be, Ti jt),
leelismetallideks (Li, Na, K jt).
Kergsulamitest enim kasutatakse alumiiniumsulameid.Tehnikas kasutatavad vähima tihedusega konstruktsioonisulameid on aga magneesiumsulamid. Kergsulavad sulamid on leidnud eelkõige kasutamist joodiste ja laagrimaterjalina.
Mitteraudmetallidest(Cr, Mn, Ni, V, Ti, Co, jt)kasutatakse legeerivate elementitena.
Alumiinium-titaan ja magneesium sulameid kasutatakse kergkonstruksioonisulamites.
Vask, tsink, plii, baasil sulameid kasutatakse laagri materjalina.
Kuld, hõbe, plaatina, baasil sulameid aga väärismetallidena ja sulameina.
Toodete valmistusviisilt lähtuvalt jaotatakse mitteraudmetallid ja sulamid deformeeritavateks ja valusulameiks.
Alumiinium ja alumiiniumsulamid
Alumiinium on levinumaid elemente maakoores. Alumiiniumil on rida omadusi (hea korrosioonikindlus, väike tihedus), mis teeb ta äärmiselt kasulikuks tehnomaterjalide valdkonnas. Puhas alumiinium on küll madala tõmbetugevusega, kuid seda saab tõsta külmdeformeerimise (kalestamise) teel või teiste elementidega legeerimise teel. Elastsusmoodul on küll 1/3 terase elastsusmoodulist, kuid erielastsusmoodulid on neil praktiliselt ühesugused. Alumiinium on väga plastne ja vormitav paljude moodustega. Alumiiniumil on hea elektrijuhtivus , mis soosib tema kasutamist elektrotehnika valdkondades.
Lähtudes toodete saamise (valmistamise) moodusest, liigitatakse alumiiniumisulamid kahtegruppi:
a) deformeeritavad (survetöödeldavad) sulamid,
b) valusulamid.
Termotöödeldavuse põhjal liigitatuna jagunevad sulamid samuti kahte gruppi:
a) termotöödeldavad (karastatavad ja vanandatavad),
b) mittetermotöödeldavad (mittekarastatavad ja -vanandatavad).
Enamik deformeeritavaid alumiiniumisulameid on termotöödeldavad, misläbi saab
suurendada nende tugevust ja kõvadust.
Vask ja vasesulamid
Vask on üks vanimaid inimkonnale teadaolevaid metalle. Vask on olnud kasutusel enam kui 5000 aastat. Tänaäeval on palju kasulikke vasesulameid, kuid metalli kõrgest hinnast tingituna on need paljudel juhtudel asendumas odavamate materjalidega nagu alumiinium ja plastikud. Puhta vase nagu alumiiniumigi mehaanilised omadused sõltuvad suuresti deformatsiooniastmest külmdeformeerimise ja kalestunud metalli järgnevast lõõmutamisest. Vaske legeeritakse mitmesuguste elementidega ja saadakse kasulikke sulameid, millest peamised on

• vasetsingisulamid e messingid (valge vask) - Tsingi lisamine vasele soodustab sulami tugevuse suurenemist eelkõige tänu tsingilahustumisele vases; samuti suureneb ka sulami plastsus, mis on ebaharilik .
  
• vasetina, vasealumiiniumi jt sulamid e pronksid - Alumiiniumpronkside omadused on analoogsed tinapronkside omadega. Need sulamid on eelkõige ühefaasilised ja hea külsurvetöödeldavusega.
  

(Nikkel ja niklisulamid)
Puhas nikkel on plastme, hästi töödeldav ja korrosioonikindel metall. Suur osa niklist kasutatakse legeeriva elemendina terastes ja malmides, aga ka mitterauasulamites. Niklit kasutatakse ka puhta metallina . Ta on suurepärase korresioonikindlusega alustes , hapetes ja siit tulenevalt kasutatakse seda keemiatööstuse seadmeis ja toiduainetööstuses. Kuigi niklil on suurepärane korrosioonikindlus, on see veelgi parem vase, kroomi või molübteeniga legeeritud nikli sulamites. Parima korrosioonikindlusega on tuntud monelmetall, milles nikli ja vase vahekord on 2.1. Nikli-kroomi sulamid on tuntud eelkõige kuumuspüsivate materjalidega, mida suurest elektritakistusest tingituna kasutatakse kütteelementides. Eriti kuumuspüsivad ja kuumustugevad niklisulamid on legeeritud kroomi ja rauaga, mis on tuntud inkonelli ja inkolloi nime all. Samasse gruppi kuuluvad lisaks rauale ka molübdeeniga legeeritud niklisulamid -hastelloid.Niklisulameid võib jagada kahte gruppi.:homogeenseteks (nikroomid ja inkonellid) ja vanandavateks (nimonikid).Ülaltoodud sulamid (inkonell. hastelloi ja nimonik), mis on ettenähtud tööks kõrgetel temperatuuridel, on tuntud ka supersulamitena.
Titaan ja titaanisulamid
Titaan on looduses üks levinumaid elemente. Titaanil on suhteliselt väike tihedus (1,7 korda väiksem kui raual) ja madal elastsusmoodul (2 korda väiksem kui raual ja niklil), mis soodustab titaani roomavust nii normaal kui kõrgetel temperatuuridel. Titaanist tehtud detailide korral peab suurendama ristlõiget ja massi, et saada vajalikku jäikust. Titaani tugevus ja kõvadus sõltub suurel määral tema puhtusest. Kõik lisandid, eriti lahustunud gaasid ja süsinik, suurendavad oluliselt tugevust ja kõvadust. Metalsetest lisanditest avaldavad titaansulamite tugevusele olulist mõju tina, alumiinium ja vanaadium, mistõttu neid kasutatakse legeerivate elementidena titaanisulameis.
Laia kasutamist leiavad titaanisulamid alumiiniumi, kroomi, vanaadiumi, molübdeeni ja
mangaaniga. Neist peamiseks on alumiinium, mis sisaldub peaaegu kõikides titaanisulamites.
Sõltuvalt legeerivate elementide mõjust titaani polümorfismile eristatakse kolm klassi
sulameid:
1. Ühefaasilised _-struktuuriga sulamid; legeeritud _-stabilisaatoritega, peamiselt
4…6% alumiiniumiga. Sellesse gruppi kuuluvate sulamite tugevus on 700…900
N/mm2, plastsus 10…12%.
2. Kahefaasilised (_+_)-struktuuriga sulamid; peale alumiiniumi sisaldavad sulamid
2…4% _-stabilisaatoreid (Cr, V, Cu, Mo). Nende sulamite tugevus on veidi kõrgem
kui _-sulamitel (Rm = 1000…1200 N/mm2, A = 6…10%).
3. _-struktuuriga sulamid; neid legeeritakse ainult _-stabilisaatoritega. Need peaaegu ei leia kasutamist kalliduse ja suure tiheduse tõttu.
Magneesium ja magneesiumisulamid
Magneesiumi iseloomustab väike tihedus ja madal sulamistemperatuur, suur kalduvus kalestumisele plastsel deformatsioonil, mistõttu selle tugevus ei sõltu ainult puhtusest vaid ka mikrostruktuurist. Õhus kuumutamisel süttib magneesium kergesti. Korrosioonikindluse poolest jääb magneesium alla alumiiniumile. Magneesium on hästi lõiketöödeldav ja keevitatav . Tehnikas kasutatavad magneesiumsulamid on hästi kuumvormitavad ja valatavad, millest tulenevalt liigitatakse magneesiumsulamid deformeeritavaiks ja valusulameiks. Magneesiumisulameid legeeritakse alumiiniumiga (kuni 10%), tsingiga (kuni 5%), mangaaniga (kuni 2,5%) ja tsirkooniumiga (kuni 1,5%).
Magneesiumisulamite termotöötlus
Magneesiumisulamite termotöötlusel on palju ühist alumiiniumisulamite termotöötlusega.
Neid võib homogeniseerida temperatuuril 400…420 oC 15…30 tundi peale valamist
likvatsiooni kõrvaldamiseks. Deformeeritud sulamid allutatakse rekristalliseerivale
lõõmutamisele temperatuuril 350 oC tekstuuri ja kalestumise kõrvaldamiseks.
(Tsink, plii, tina ja nende sulamid)
Tsink, plii ja tina on heade tehnoloogiliste omadustega (madal sulamistemperatuur, head valuomadused), mis soodustavad nende kasutamist valusulameina, laagrimaterjalidena, joodistena ja seal, kus on tähtis madal sulamistemperatuur. Liuglaagrid valmistatakse peale malmi ja pronksi ka spetsiaalsetest kergeltsulavatest sulamitest- babiitidest.Neid saab jagada kahte gruppi : tina -antimoni grupp ja plii-tina -antimoni grupp.
Rasksulavad metallid ja sulamid
Rasksulavate metallide hulka kuuluvad kõrge sulamistemperatuuriga metallid( W,Ta, Mo,Nb. V. Cr)Raskeltsulavad metallid on põhilisteks legeerivateks elementideks. Raskeltsulavate metallide ja sulamite tähtsamaks omaduseks on kuumustugevus.Vaatamata kõrgele sulamistemperatuurile on kõik rasksulavad metallid peale kroomi kergesti oksüdeeruvad kuumutamisel õhus.
Väärismetallid ja sulamid
Väärismetallide hulka kuuluvad hõbe, kuld, plaatina, pallaadium, iriidium , roodium. Väärismetallid kuuluvad kõik raskmetallide hulka, nad on hea elektri- ja soojusjuhtivusega ning väga plastsed lõõmutatult. Erinevad legeerivad lisandid mõjutavad kulla värvi, vase sisalduse suurenedes muutub värv punasemaks. Nikkel soodustab kulla valgenemist. Hõbeda sisalduse kasvades muutub kulla värv kollasest rohekaskollaseks.
Tehnoplastid
Tehnoplastid
Üldist
Plastitööstus areneb kiiresti ja praeguste teadmiste juures on traditsioonilised materjalid nagu puit, klaas ja paljud metallid edukalt asendatavad plastidega. Plastide kasutusala laieneb üha.
Plastid on polümeermaterjalid, mille põhikomponent on polümeerid. Mitmekomponentse süsteemina sisaldavad need põhipolümeerile lisaks mitmeid lisandeid ja abiaineid, mille ülesanne on polümeeride tehnoloogiliste ja talitlusomaduste mitmekesistamine:
- füüsikaliste, mehaaniliste või elektriliste omaduste modifitseerimine ,
- termo- ja valguskindluse suurendamine,
- hinna alandamine,
- värvuse, läbipaistvuse jt. optiliste omaduste muutmine,
- töödeldavuse parandamine.
Põhilisteks lisa- ja abiaineteks on täiteained, plastifikaatorid, stabilisaatorid, määrdeained ja värvained.
Polümeerid kui plastide põhikomponendid on kõrgmolekulaarsed ühendid, milles makromolekul on ehitatud madalamolekulaarsetest ühenditest – monomeeridest, mis on ühendatud keemilise sidemega.
Põhjusi, miks plaste kasutatakse on mitmeid:
- madalam töötlemistemperatuur kui metallidel ja keraamikal, seega madalm energiakulu ,
- nad on kergemad (mahu ja massi suhe on polümeermaterjalide kasuks),
- viimistlemise minimaalne vajadus, toote odavus ,
- hea töödeldavus,
- korrosioonikindlus,
- hea tugevuse ja tiheduse suhe (eritugevus),
- plastid tagavad ühtlaselt vaikse töö ja müra summutuse,
- nad on head elektri- ja soojusisolaatorid.
Plastide liigitus ja omadused
Temperatuurile reageerimise järgi liigitatakse plastid kahte gruppi:
1. Termoplastid ,
2. Termoreaktiivid .
Termoplastid muutuvad kuumutamisel voolavaks, jahtudes aga taastuvad esialgsed omadused;
nende makromolekulidel on enamasti lineaarne või veidi hargnenud struktuur .
Termoreaktiivid muutuvad kuumutamisel või kõvendi toimel ruumilise struktuuriga võrestikpolümeerideks, mis ei sula ega lahustu.
Lineaarahelaga
termoplastid
Hargnenud ahelaga
termoplastid
Ruumstruktuuriga
termoplastid
Lõppomaduste ja otstarbe järgi liigitatakse termoplastid ja termoreaktiivid:
a) tarbeplastideks – need on polüetüleen (PE),
polüpropüleen (PP), polüvinüülkloriid (PVC),
polüstüreen (PS), fenoplast (PF) jt.
b) konstruktsioonplastideks – need on polükarbonaat (PC), polüamiid (PA), orgklaas ( PMMA ),
epoksüplast (EP) jt.
c) eriplastideks – fluorplast (PTFE) jt.
Plastide töötlemine
Plastide tootmine ja töötlemine oleneb plasti tüübist ja toote konstruktsioonist. Termoplaste peamiselt valatakse, vormitakse ja töödeldakse ekstruuderiga; termoreaktiive pressitakse, valatakse ja vormitakse.
Mõlema puhul kasutatakse ka lõiketöötlemist (treimist, freesimist, saagimist, puurimist). Keevitamist on võimalik rakendada ainult termoplastide puhul. Tehnoloogiliselt olulised omadused, mis määravad plastide töödeldavuse on:
- sulavoolavus/sulaviskoossus,
- niiskusesisaldus,
- termostabiilsus,
- kompaundi koostis (segu terviklik koostis, mis on töötlemisvalmis ja sisaldab juba kõiki vajalike lisandeid),
- kahanemine.
Enamik plastide töötlemise protsesse koosneb järgnevatest operatsioonidest:
- soojendamine pehmenemiseni,
- vormimine ,
- jahutamine (tardumine),
- toote eraldamine.
1.4.1. Komposiitmaterjalide struktuur ja liigitus
Komposiitmaterjalideks (KM) nimetatakse kahest või enamast osast – faasist – materjale, kusjuures faaside omadused ja orientatsioon on selgelt erinevad ja kontrollitavad. Komposiitmaterjal on heterogeenne , selle omadused on ette antud (korrosiooni- ja kuumuskindlus, magnetilised omadused, jäikus, tugevus jm). Tavaliselt on üks faasidest kõva ja tugev ning teine plastne ja elastne. Kõva faasi nimetatakse armatuuriks (sarruseks) ja plastset maatriksiks .
Armatuur
Armatuur annab komposiitmaterjalile tugevuse, jäikuse ja tagab mehaaniliste omaduste säilimise tööolukorras (kõrgel või madalal temperatuuril, agressiivses keskkonnas jne).
Armatuur võib olla kiuline või pulbriline.
Kiuline armatuur võib olla ka riide, vildi, lindi jms. kujul. Kiudarmatuuril on nii positiivseid kui ka negatiivseid omadusi. Eeliseks on suurem tugevus ja võimalus luua tugevaid komposiitmaterjale.
Puuduseks aga on see, et kiudarmatuur võib kanda ainult teljesuunalist koormust. Ristsuunas kiudarmatuur tugevust ei suurenda , vaid võib isegi nõrgendada. Kiudarmatuurina kasutatakse
a) niitkristalle e. fibrille, mida iseloomustab hea tugevus, kergus, kuumus- ja korrosioonikindlus, aga ka kõrge hind (MgO, mulliit Al2O3⋅2SiO2 jt.);
b) metalltraati, mida iseloomustavad stabiilsed füüsikalis-mehaanilised omadused ja odavus (W, Mo, teras);
c) polükristallilist ja anorgaanilist kiudu (süsinik, kvarts jt), mida iseloomustab odavus ja kergus, kuid mis on väga tundlikud mehaaniliste mõjutuste suhtes.
Maatriks
Komposiitmaterjali põhiosa on reeglina maatriks, mis koos armatuuriga (sagedamini kiududena) võtab vastu koormuse. Maatriks annab materjalile vormi, monoliitsuse ning tagab koormuse ümberjaotumise armatuuri elementide (kiudude) vahel. Kui kiud purunevad, deformeerub maatriks plastselt. Siit järeldub, et maatriksi deformeeritavus peab olema sama suur või suurem kui kiudude deformeeritavus.
Komposiitmaterjali maatriksina kasutatakse metalle ja sulameid (alumiiniumi, magneesiumi, niklit,
titaani jt.), polümeersetest materjalidest termoreaktiive (epoksü-, polüester- ja fenoolvaike), keraamilistest materjalidest oksüüd- (Al2O3, MgO, ZrO2 ) ja mitteoksüüdkeraamikat (boriide TiB2, ZrB2, nitriide Si3N4, AlN, BN, silitsiide MoSi2 jt.).
Maatriksi koostise järgi liigitatakse komposiitmaterjale järgmiselt:
- metallkomposiitmaterjalid (MKM), sh ka dispersioonarmeeritud komposiitmaterjalid ja pseudosulamid,
- plastkomposiitmaterjalid (PKM),
- keraamilised komposiitmaterjalid (KKM),
- süsinikkomposiitmaterjalid (SKM).
Metallkomposiitmaterjalid
Metallkomposiitmaterjalides (MKM) kasutatakse maatriksina kõige sagedamini alumiiniumi, magneesiumi, titaani, niklit ja koobaltit, armatuurina aga kõrgtugevat ja jäika teras- või süsinikkiudu.
Plastkomposiitmaterjalid
Plastkomposiitmaterjalideks (PKM) nimetatakse materjale, mis koosnevad polümeersest maatriksist (põhimaterjalist) ja tugevdavast komponendist kiulisel või pulbrilisel kujul.
Keraamilised komposiitmaterjalid
Keraamilised komposiitmaterjalid (KKM) koosnevad keraamilisest maatriksist ja armatuurist. Viimane võib olla mõni rasksulav metall (W, Mo jt) või rasksulav ühend (WC, SiC jt). Keraamilisi komposiitmaterjale iseloomustab keraamikale omase suure survetugevuse ja kõvaduse kõrval rahuldav tõmbetugevus ja sitkus.
Süsinikkomposiitmaterjalid
Sellistel süsinikkomposiitidel on väike tihedus, suur tõmbetugevus ja elastsusmoodul, hea termokindlus; nad töötavad oksüdeerivas keskkonnas temperatuuril kuni 500 °C, inertses
keskkonnas ja vaakumis aga kuni 3000 °C.ˇ
Pinded
Pinde otstarve: kulumiskindlus, korrosioonikindlus, isoleerivad omadused, elektrilised omadused, optilised omadused, biosobilikkus.
Pindamismoodused: Keemilised, elektrokeemilised, termokeemilised, termopindamine, aurustussadestus, pealekeevitus , plankeerimine.