Oc - jest to proces technologiczny polegający na grzaniu i chłodzeniu materiału, wynikiem tego procesu jest zmiana struktury czyli także właściwości materiału, duże znaczenie ma szybkość chłodzenia i nagrzewania.
Przemiana dyfuzyjna perlit w austenit - (austenityzowanie) celem jest tu otrzymanie możliwie drobnoziarnistego austenitu :
- konieczne przegrzanie dla uzyskania napędzającej przemianę f
- powstanie zarodków austenitu na granicy międzyfazowej
- rośnięcie zarodków ziarna austenitu niejednorodnego
- ujednorodnienie ziaren austenitu
Samorzutny proces rozrostu ziaren austenitu- początkowo po przemianie ziarna są bardzo drobne zwiększenie temp powoduje rozrost ziaren:
- stale gruboziarniste skłonne są do natychmiastowego rozrostu
- stale drobnoziarniste rozrost następuje stopniowo tu drobne wydzielenia innych faz hamują rozrost ziaren ruch granic następuje dopiero po rozpuszczeniu tych faz lub po koagulacji tych faz
Przemiana dyfuzyjna austenit - perlit
- izotermiczne wygrzewanie
- ciągłe chłodzenie
Zarodki dwufazowe na granicach ziaren austenitu najpierw zarodkuje cementyt z następnie ferryt
Rośnięcie zarodka perlitu
Przemiana martenzytyczna ( bezdyfuzyjna przemiana alotropowa austenitu w ferryt
sieć A1 w A2)
- zachowana jest ta sama koncentracja węgla ferryt przesycony węglem (martenzyt)
- musi być chłodzony z szybkością większą niż krytyczna
- siłą napędową przemiany jest duża różnica F austenitu i martenzytu w temp Ms
- przemiana ta jest termiczna wymaga ciągłego obniżania temp.
- wzrost płytki martenzytu polega na niejednorodnym ścinaniu realizowanym przez poślizg dyslokacji oraz przez bliźniakowanie
- w martenzycie pozostaje tzw. austenit szczątkowy którego zawartość jest związana z szybkością chłodzenia i z tym czy nie było przystanków podczas chłodzenia obniża właściwości.
- zawartość węgla wpływa na twardość martenzytu im więcej C tym tym większe hrc,
Umocnienie roztworowe (silnie przesycony węglem ferryt), umocnienie zgniotowe (wzrost gęstości dyslokacji), umocnienie granicami ziaren ( ogromna ilość płytek martenzytu zamiast jednego dużego ziarna austenitu)
Przemiana bainityczna ma charakter bezdyfuzyjno-dyfuzyjny bez ( mała ruchliwość atomów Fe przebudowa sieci A1 w A2) dyf ( wystarczająca ruchliwość atomów C w austenicie lub w przesyconym ferrycie powstają drobne i cienkie blaszki węglika eps)
Bainit górny Tm - 350 C niekorzystna struktura wytrzymałość oraz twardość podobna do struktur perlitycznych gorsza ciągliwość
Bainit dolny - 350-Ms wytrzymałość oraz twardość (ok. 55 hrc) wyższą od perlitu
Ciągliwość lepsza niż bai górnego, właściwości identyczne jak martenzytu odpuszczonego w niskich temp.
Przemiany odpuszczania ( przemainy dyfuzyjne po podgrzaniu zahartowanej na martenzyt stali) struktura nie stosowana w praktyce wysokie naprężenia własne, brak ciągliwości, kruchość) żądane właściwości otrzymujemy dopiero po odpuszczaniu czyli wygrzaniu w temp powyżej A1- reaktywacja atomów C zmiany struktury, zmiany właściwości.
Po odpuszczaniu mamy zmiany długości próbki i twardość.
I stadium(martenzyt odpuszczania) odpuszczania do 200 st - przegrupowanie atomów C, relaksacja naprężeń, maleje przesycenie ferrytu, gęstość i rozmieszczenie dyslokacji pozostaje jak i austenit szczątkowy.
Właściwości wytrzymałość i twardość jeszcze wysoka poprawa ciągliwości zmiana długości próbki na plus.
II 200- 300 stopni ( objętość rośnie- zanika austenit szczątkowy)
Przemiana austenitu szczątkowego, struktura nadal nazw. martenzyt odpuszczania wytrzymałość, twardość i udarność maleją.
III 300 - 400 ( objętość maleje - zanika przesycenie ferrytu, zarodkuje cementyt w ferrycie)
Struktura nazw. Troostyt odpuszczania wytrzymałość i twardość szybko maleją rośnie ciągliwość.
IV 400 -A1(koagulacja cementytu , rekrystalizacja zgniotu fazowego) nieprzesycony ferryt do 650 ( sorbit odpuszczania iglasty ferryt + skoagulowany cementyt)zachowuje pomartenzytyczny iglasty kształt. Właściwości wytrzymałość wyższa niż przed hartowaniem dobra ciągliwość ( nie gorsza) twardość umożliwia skrawanie często stosowana struktura.
Powyżej 650(sferoid kulkowy cementyt na tle zrekrystalizowanego cementytu) następuje ruch granic szerokokątowych i rosną nowe równoosiowe ziarna ferrytu.
Hartowność - zdolność materiału do utwardzania się w głąb w wyniku oziębienia, dla stali jest to zdolność do tworzenia się struktury martenzytycznej podczas chłodzenia od temp. Austenityzowania. W stanie zahartowanym o właściwościach stali decydują:
-utwardzalność jest to podatność stali na hartowanie mierzona maxymalną twardością po hartowaniu, warunki austenityzowania, stężeniem węgla w austenicie, obecność oraz stężeniem dodatków stopowych
- hartowność zależy od składu chemicznego ( rośnie z zawartością C) wielkości ziaren (im większe tym lepsza), jednorodności austenitu ( im bardziej jednorodny tym większa) obecności nierozpuszczalnych faz ( obniżają hartowność bo ułatwiają zarodkowanie i przemiany dyfuzyjne)
Wady i zalety hartowania powierzchniowego.
Wady:- niemożliwe osiągnięcie idealnych właściwości- jest trudne przy skomplikowanych kształtach- indukcyjne: wysoki koszt urządzenia
Zalety:- koszt- indukcyjne: czystość nagrzanej powierzchni; nieznaczne odkształcenia; duża wydajność; małe zużycie energii elektrycznej
Na zimno: niemożliwe osiągnięcie dużych twardości; nieodporne na wzrost temperatur; niski koszt
Wyżarzanie zupełne oraz normalizujące
Zupełne wolne chłodzenie ( piec) struktura równowagowa małe rozdrobnienie ziaren ferrytu zmniejszenie dyspersji perlitu ( większa odległość między płytkami) właściwości spadek twardości i wytrzymałości, zmniejszenie naprężeń własnych, na + poprawa ciągliwości i obrabialności.
Normalizujące szybkie chłodzenie struktura równowagi, silnie rozdrobnione ziarno ferrytu. Zwiększenie dyspersji perlitu( + twardość) zwiększenie ilości perlitu( quasi eutektoid) zmniejszenie ilości ferrytu właściwości na plus twardość i wytrzymałość mały minus ciągliwość, obrabialność zastowowanie w hutach odlewy, wyroby płaskie, długie.
Rola dodatków stopowych do ulepszania cieplnego.
Dodatki stopowe zapewniają głównie dobrą hartowność, ale niektóre polepszają także ciągliwość (Ni, V, Mo, Ti) oraz skrawalność (S)
- Mn - silnie zwiększa w stalach hartowność oraz zwiększenie własności wytrzymałościowych
- Si - umiarkowane zwiększenie hartowności, zmniejsza spadek twardości podczas odpuszczania
- Cr - zwiększa hartowność stali, lepsza ciągliwość, hamuje przebieg przemian podczas odpuszczania
- Mo - zwiększa hartowność stali i zapobiega odwracalnej kruchości odpuszczania oraz hamuje spadek twardości podczas odpuszczania , lepsza ciągliwość
- Ni - zwiększa hartowność i zarówno wytrzymałość oraz ciągliwość
Kryteria doboru stali do ulepszania cieplnego (hartowność ,wytrzymałość , ciągliwość)
- hartowność - zależy od zawartości %C - decyduje o cenie oraz własnościach przedmiotu - zależy od gwarantowanego przez producenta pasma hartowności im węższe tym łatwiej optymalizować obróbkę i koszty
- wytrzymałość - zależy głównie od zawartości C oraz temp. odpuszczania, najczęściej wykorzystuje się doświadczalne zależności odniesione do twardości po hartowaniu oraz wysokim odpuszczaniu ( łatwość pomiaru )
- ciągliwość - zależy od dodatków stopowych takich jak (Ni, V, Mo, Ti)
Określić wymagania ulepszenia cieplnego.
- optymalne skojarzenie wytrzymałości oraz ciągliwości, wysokie
- odpowiednio dobra hartowność
- dobra skrawalność
Idea obróbki cieplno - chemicznej.
Istotą obróbki cieplno-chemicznej jest zmiana składu chemicznego warstw powierzchniowych wskutek dyfuzji do tych warstw jednego lub kilku pierwiastków, co pociąga za sobą zmianę mikrostruktury, a przez to i własności. Np. wzrost twardości i odporności na ścieranie z jednoczesnym zwiększeniem wytrzymałości na zmęczenie.
Problemy po nawęglaniu obróbki cieplnej.
Temperatura hartowania jest za wysoka dla warstw powierzchniowych, co prowadzi do pozostania w nich znacznej ilości austenitu nieprzeminionego, a martenzyt jest gruboiglasty, a twardość pow. oraz odporność na ścieranie jest wtedy mniejsza, kolejnym problemem jest gruboziarnistość która wpływa na własności mechaniczne, zmniejsza ciągliwość i odporność na obciążenia udarowe. Uniknąć problemów można np. przez: wymrażanie; stosowanie stali drobnoziarnistych nieskłonnych do rozrostu ziaren; nawęglanie w kąpielach lub gazach.
Zaleta azotowania nad nawęglaniem
Azotowanie: koszt - droga stal; czas trwania; wyższa twardość; twardość utrzymana będzie powyżej 500 C
Nawęglanie: problemy z obróbką cieplną; nieodporność na temperatury; duża twardość
Prawidłowe temperatury hartowania stali zaeutektoidalnej
Stale zaeutektoidalne powinno się hartować w temp 30-50 K wyższych od Ac1, ponieważ przekroczenie tej temperatury optymalnej we wszystkich stalach niezależnie od zawartości C powoduje rozrost ziaren austenitu a przez to gruboiglastość martenzytu. Podobny efekt wywołuje za długie wygrzewanie we właściwej temp.. Co za tym idzie twardość jest mniejsza
Założenia, zalety, wady metody Jomminy
Założenie: jednakowej szybkości chłodzenia w głębi przedmiotu oraz w próbce Jominego odpowiada jednakowa twardość
Zalety: powtarzalność i dokładność wyników
Wady:
Wymagania stawiane stali konstrukcyjnej ich realizacja w poszczególnych grupach:
Wymagania:
- łatwa spawalność; wysoka ciągliwość; jak najwyższa wytrzymałość; jak najniższa cena
Realizacja:
- umocnienie roztworowe + normalizowanie (normalizowanie - rozdrobnienie ziaren ferrytu- podwyższenie wytrzymałości i ciągliwości jednocześnie ,quasi-perlit)
- umacnianie wydzieleniowe (mikrododatki(Nb, V, Ti, Al.) zwykle < 0,15% powodują umocnienie wydzieleniowe ferrytu; zwykle proces cieplno plastyczny z wydzieleniem związków w T < 600C)
- umacnianie wynikające z ulepszania cieplnego (niskowęglowy sorbit odpuszczania 0,2 %C Re-> 960Mpa); umacnianie wynikające ze struktury bainitycznej (niskowęglowy bainit 0,12%C Re-> 600-700 Mpa)
Sposoby podwyższania wytrzymałości w stalach konstrukcyjnych ( bez C)
- umocnienie roztworowe ferrytu (Mn do 2,1% ; Si do 0,8 %) I
- umocnienie ferrytu granicami ziaren; umocnienie quasi perlitem (normalizowanie lub walcowanie normalizujące) I
- umocnienie wydzieleniowe związkami mikrododatków ((Nb, V, Ti, Al.) zwykle < 0,15%) II
- umocnienie wydzieleniowe prawie czystą miedzią (przesycanie + starzenie ok. 0,07% C; < 2,5% Cu) II
- umocnienie wynikające ze struktury bainitycznej (0,12 %C - kontrolowane chłodzenie przy odpowiednim kształcie CTPc) III
- umocnienie wynikające z ulepszania cieplnego (0,2 %C - hartownie + wysokie odpuszczanie) III