Metallenes mikrostruktur og egenskaper: Øving 6 - Stål V

Oppgave 1

***INFO***

I oppgave 1 skal metoden oppkulling undersøkes. Figurene og den generelle oppgaveteksten er gitt i alle oppgavene (og figurene er også i PDF-filen på itslearning). I oppgave a-c skal du steg for steg regne deg gjennom og i oppgave c ende opp med et sluttsvar, mens i oppgave d skal du selv komme frem til riktig sluttsvar uten at beregningne skal oppgis underveis. Dette er en veldig vanlig eksamenstype-oppgave.

Oppgave 1a - Settherding

Et stål med 0,2 % C skal settherdes. Stålet oppkulles i 20 timer ved så lav temperatur som mulig for å unngå kornvekst. Oppkullingsatmosfæren er ikke regulert. Etter oppkullingen bråkjøles stålet i vann. Spørsmålet som skal besvares i c er hvilken dybde x under overflaten vil stålet ha en hardhet på 60 HRC etter herding? Bruk de tre figurene under til å jobbe deg gjennom utregningen, samt antagelsen om at konsentrasjonsøkningen av karbon under karburiseringen kan beskrives med følgende uttrykk:  

C-C_{0}=(C_{1}-C_{0})\cdot (1-erf(\frac{x}{2\sqrt{Dt}}))der

C_{0}=opprinnelig \: konsentrasjonC=konsentrasjon\: i \: dybden\: x \: ved \: tiden\: tC_{1}=overflatekonsentrasjonen \: under\: karburiseringenD=0,\! 372\cdot exp(-\frac{17814\: K}{T})\: cm^{2}/s

 

Hva blir erf(z) (m/ to desimaler bak komma) dersom

z=\frac{x}{2\sqrt{Dt}}

Svar:  

Oppgave 1b - Settherding

Et stål med 0,2 %C skal settherdes. Stålet oppkulles i 20 timer ved så lav temperature som mulig for å unngå kornvekst. Oppkullingsatmosfæren er ikke regulert. Spørsmålet som skal besvares I c er hvilken dybde x under overfraten vil stålet ha en hardhet på 60 HRC etter herding? Bruk de tre figurene under til å jobbe deg gjennom utregningen, samt antagelsen om at konsentrasjonsøkningen av karbon under karburiseringen kan beskrives med følgende uttrykk:  

C-C_{0}=(C_{1}-C_{0})\cdot (1-erf(\frac{x}{2\sqrt{Dt}}))der

C_{0}=opprinnelig \: konsentrasjonC=konsentrasjon\: i \: dybden\: x \: ved \: tiden\: tC_{1}=overflatekonsentrasjonen \: under\: karburiseringenD=0,\! 372\cdot exp(-\frac{17814\: K}{T})\: cm^{2}/s

 

Hva blir z basert på svaret i forrige oppgave?

z=\frac{x}{2\sqrt{Dt}}

  • 0,52
  • 0,66
  • 0,72

Oppgave 1c - Settherding

Et stål med 0,2 %C skal settherdes. Stålet oppkulles i 20 timer ved så lav temperature som mulig for å unngå kornvekst. Oppkullingsatmosfæren er ikke regulert. Etter oppkullingen bråkjøles stålet i vann. Hvilken dybde x under overfraten vil stålet ha en hardhet på 60 HRC etter herding? Bruk de tre figurene under til å jobbe deg gjennom utregningen, samt antagelsen om at konsentrasjonsøkningen av karbon under karburiseringen kan beskrives med følgende uttrykk:  

C-C_{0}=(C_{1}-C_{0})\cdot (1-erf(\frac{x}{2\sqrt{Dt}}))derC_{0}=opprinnelig \: konsentrasjonC=konsentrasjon\: i \: dybden\: x \: ved \: tiden\: tC_{1}=overflatekonsentrasjonen \: under\: karburiseringenD=0,\! 372\cdot exp(-\frac{17814\: K}{T})\: cm^{2}/sHusk også at z=\frac{x}{2\sqrt{Dt}}

 

Hva blir dybden der hardheten er 60 HRC basert på svaret fra forrige oppgave? Oppgi svaret med to desimaler.

Svar: mm

Oppgave 1d - Settherding

Et stål med 0,2 %C skal settherdes. Stålet oppkulles i 20 timer ved så lav temperature som mulig for å unngå kornvekst. Oppkullingsatmosfæren er ikke regulert. Etter oppkullingen bråkjøles stålet i vann. Hva blir dybden der hardheten er 50 HRC? 

Bruk de tre figurene under til å jobbe deg gjennom utregningen, samt antagelsen om at konsentrasjonsøkningen av karbon under karburiseringen kan beskrives med følgende uttrykk:  

C-C_{0}=(C_{1}-C_{0})\cdot (1-erf(\frac{x}{2\sqrt{Dt}}))der

C_{0}=opprinnelig \: konsentrasjonC=konsentrasjon\: i \: dybden\: x \: ved \: tiden\: tC_{1}=overflatekonsentrasjonen \: under\: karburiseringenD=0,\! 372\cdot exp(-\frac{17814\: K}{T})\: cm^{2}/s

Husk også at z=\frac{x}{2\sqrt{Dt}}Hva blir dybden der hardheten er 50 HRC? 

  • 0,99 mm
  • 1,24 mm
  • 1,41 mm

Oppgave 2

Oppgave 2a - Verktøystål

Match typen verktøystål med den typiske anløpningstemperaturen.

  • Hurtigstål
    550 °C
  • Kaldbearbeidingsstål - vannherdet
    150 °C
  • Varmebearbeidingsstål
    580 °C
  • Kaldbearbeidingsstål - luftherdet
    510 °C

Oppgave 2b - Anløpning i verktøystål

Hvilke av legeringselementene som vanligvis finnes i verktøystål bidrar til en sekundærherdingseffekt hvis det blir anløpt mellom 500 og 550  °C?

  • V
  • Mn
  • Si
  • Mo
  • Ni
  • Cr
  • W

Oppgave 2c - Hurtigstål

Hurtigstål skilles gjerne på wolfram- og molybdeninnholdet. Hva er riktig om disse stålene?

  • Molybdenholdige hurtigstål inneholder gjerne både W og Mo.
  • Wolframholdige hurtigstål inneholder gjerne både W og Mo.
  • Kobolt danner karbider og øker derfor stålets hardhet.

Oppgave 2d - Fjærstål

Fjærer skal tåle stor elastisk deformasjon, og stål som har en gunstig kombinasjon av E-modul og flytespenning er derfor ønskelig. E-modulen til stål er imidlertid nesten alltid konstant lik 210 GPa, og den høye elastiske deformasjonen fås for stål med høy flytespenning. Typisk flytespenning for fjærstål er 1200 MPa. Fjærstål må også ha høy bruddforlengelse, 5-8 %.

Hvilke legeringselementer er spesielt viktige i fjærstål fordi de gir en fiberstruktur i lengderetningen?

  • Cr
  • Mn
  • V
  • Mo
  • Si

Oppgave 3

Oppgave 3a - Sveisbarhet til rustfrie stål

Hvilke av de rustfrie stålene er sveisbare?

  • Ferrittisk rustfritt stål
  • Martensittisk rustfritt stål
  • Austenittisk rustfritt stål
  • Dupleks-stål

Oppgave 3b - Korrosjonsegenskaper til dupleks-stål

Ferrittisk-austenittiske stål (dupleks stål) er ikke utsatt for korngrensekorrosjon. På høye temperaturer blir det likevel dannet Cr-karbider på korngrensene, som vanligvis vil gi korngrensekorrosjon.

Det er to mulige forklaringer hvorfor det likevel ikke blir korngrensekorrosjon for dupleks stål; en av dem er at Cr diffunderer så raskt til den utarmerte sonen at det ikke gir noen effekt. Hva er den andre grunnen?

  • Fasegrensen flytter seg fordi Cr er ferrittdanner, og de utarmerte områdene blir omdannet til austenitt og karbidene blir ikke lenger liggende på korngrensen.
  • Fasegrensen flytter seg fordi Cr er austenittdanner, og de utarmerte områdene blir omdannet til ferritt og karbidene blir ikke lenger liggende på korngrensen.

Oppgave 3c - Rustfrie stål

Hvorfor bevares austenitt helt ned til romtemperatur i austenittisk rustfritt stål?

  • Fordi rustfrie stål er høylegerte.
  • De er veldig "herdbare" slik at ferritt ikke dannes under avkjøling fra høy temperatur, grunnet sakte diffusjon.
  • Start-temperaturen for martensittomvandling (Ms) ligger under romtemperatur.

Oppgave 3d - Sveising av U50 stål

Under sveising skjer det endel faseomvandlinger nærmest smeltegrensen, både under oppvarming og under avkjøling. For stålet merket av i figuren, U50-stål, hva vil slutt-fasen(e) være nærmest smeltegrensen? Det er et pseudo-binært fasediagram som gjelder for 65 %Fe.

  • α+γ
  • α
  • γ

Alternativ 3e - Avkjølingshastighet i U50 stål

Under sveising av U50 stålet avkjøles to sveiser med ulik hastighet; en svært raskt og en svært sakte.

1) For hvilken sveis vil sonen nærmest smeltegrensen inneholde mest austenitt?

 

2) Austenitten vil se forskjellig ut i de to tilfellene. Hvilken form får austenittkornene under rask avkjøling?

 

3) For hvilken av de to sveisene vil sonen nærmest smeltegrensen ha lavest omslagstemperatur?

 

Case 2 - Stålstang

Oppgavetekst

Hver gruppe får utlevert en skive av en stålstang. Hardheten skal måles over tverrsnittet av halve prøven (langs radius). Slip først prøven lett. Velg passende avstand mellom inntrykkene, f.eks. 0,5 mm mellom de første 3 målingene ytterst ved kanten og øk deretter avstanden til 1 mm på de neste 5 målingene, og til slutt 2 mm mellom innover mot sentrum for å unngå å ta for mange målinger. Noter avstand fra ytterkanten og tilhørende hardhet for hvert målepunkt.

Tips: Merk av diameteren (og midten) med en tynn tusj på den slipte prøven, og sørg for å få opplinjert prøven etter denne i hardhetsmåleren – da blir det enklere å flytte prøven langs radius.

Caseoppgave a

Skisser hardhetsprofilen dere målte på prøven.

Prøven har vært utsatt for en behandling som endrer egenskapene - hva kalles denne behandlingen?

Svar:  

Caseoppgave b

Materialet har vært utsatt for følgende behandling:

  1. Oppkulling til 900 °C i en atmosfære med 1,05 % C og ammoniakk i 10 timer
  2. Deretter ble temperaturen senket til 850 °C i en atmosfære med 0,75 % C og ammoniakk
  3. Videre ble spissene avkjølt i olje til 80 °C
  4. Til slutt ble spissene anløpt ved 150 °C

Hva kalles denne metoden med steg 1 og 2? Forklar hva som skjer under steg 2 (hva skjer med karbonet, og hvordan vil dette påvirke restausenitten som kan oppstå i overflaten).

Caseoppgave c

Materialet dere fikk utlevert var i utgangspunktet et Arnestål med sammensetningen:

Element C Si Mn Cr W V
[vekt%] 0,95 0,30 1,10 0,60 0,60 0,10

Hva skjer når vi har ammoniakk tilstede i atmosfæren under oppkullingen og hvordan påvirker det egenskapene til Arnestålet her? Hvilken forutsetning må være tilstede for at dette skal skje (hvorfor skjer det i dette stålet og ikke alle andre)?