• Obróbka cieplna cz. I

• Obróbka cieplna cz. I

przemiana
alotropowa

Repetytorium

+ Fe

3

C

III

+ Fe

3

C

III

eutectoidal
transformation

Repetytorium

Wpływ zawarto

ś

ci w

ę

gla

na wła

ś

ciwo

ś

ci stali

2

Repetytorium

(wła

ś

ciwo

ś

ci austenitu podano dla stali wysokostopowej,

dla której jest on trwały w temperaturze pokojowej)

HB

HB

R

m

3

10

4

,

3

≅≅≅≅

≅≅≅≅

m

e

R

R

65

,

0

≅≅≅≅

]

[

)

.

(%

650

300

MPa

C

wag

R

m

⋅⋅⋅⋅

××××

++++

≅≅≅≅

(dla stali przedeutektoidalnych)

(R. Haimann)

Fe

α

αα

α

Fe

3

C

ferryt

austenit
stopowy

perlit

płytkowy

R

m

[MPa]

245

-

300

∼∼∼∼

750

800

R

e

(R

0,2

) [MPa]

137

-

150

∼∼∼∼

300

500

A

10

[%]

50

-

40

∼∼∼∼

50

8

÷÷÷÷

10

HB

75

800

90

∼∼∼∼

200

200

÷÷÷÷

260

PODSTAWY OBRÓBKI CIEPLNEJ (na przykładzie stopów

ż

elaza)

OC – proces technologiczny obejmuj

ą

cy zespół operacji, np. grzanie, chłodzenie materiałów

w stanie stałym,

- wynikiem OC s

ą

zmiany struktury a wi

ę

c wła

ś

ciwo

ś

ci materiału, np. stali.

Teoretyczne podstawy OC s

ą

nauk

ą

o przemianach zachodz

ą

cych w materiałach wskutek:

- zmiany temperatury, czasem równie

ż

ci

ś

nienia,

- wpływie szybko

ś

ci grzania i chłodzenia na mechanizmy i kinetyk

ę

tych przemian,

(+ -)

(L.A. Dobrza

ń

ski)

( -)

Schemat zabiegów OC

(L.A. Dobrza

ń

ski)

(gwałtowny rozwój)

(-+)

(L.A. Dobrza

ń

ski)

(gwałtowny rozwój)

(-+)

(L.A. Dobrza

ń

ski)

E

n

e

rg

ia

s

w

o

b

o

d

n

a

F

Przemiana dyfuzyjna

perlit

⇒

⇒

⇒

⇒

austenit

a) konieczne przegrzanie o

∆∆∆∆

T dla uzyskania nap

ę

dzaj

ą

cej przemian

ę

∆∆∆∆

F,

(nazywana

austenityzowaniem

)

Celem austenityzowania jest zwykle otrzymanie

jednorodnego

oraz

drobnoziarnistego

austenitu co wpływa z kolei na przebieg przemian podczas chłodzenia.

(+)

A

1

A

c1

austenit

perlit

Temperatura

E

n

e

rg

ia

s

w

o

b

o

d

n

a

F

∆∆∆∆

F

(

αααα

p

+ Fe

3

C)

⇒

⇒

⇒

⇒

γγγγ

S

727°C

∆∆∆∆

T

0,02 %C

6,67 %C

0,77 %C

b) powstanie zarodków austenitu na granicy mi

ę

dzyfazowej,

c) ro

ś

ni

ę

cie zarodków

⇒

ziarna austenitu niejednorodnego,

d) ujednorodnienie ziaren austenitu,

(+)

(R. Haimann)

●

na szybko

ść

przemiany (w warunkach grzania ci

ą

głego) wpływa:

- szybko

ść

nagrzewania

→

warto

ść

przegrzania

∆∆∆∆

T

→

szybko

ść

dyfuzji atomów C

- budowa perlitu,

- tym szybciej im drobniejsze płytki w perlicie,
- najwolniej gdy cementyt kulkowy,

w stalach nieeutektoidalnych austenityzowanie ko

ń

czy si

ę

w wy

ż

szych temperaturach (musz

ą

ulec rozpuszczeniu

fazy przyeeutektoidalne -ferryt lub Fe

3

C

II

)

(+)

wykres dla stali eutektoidalnej

Samorzutny proces rozrostu ziaren austenitu

●

pocz

ą

tkowo po przemianie ziarna s

ą

bardzo drobne (du

ż

a LZ

←

b. du

ż

a pow. zarodkowania),

●

zwi

ę

kszenie temperatury lub czasu wygrzewania

→

rozrost ziaren

●

stale gruboziarniste

– skłonne do rozrostu ziaren natychmiast (ju

ż

w

γγγγ

niejednorodnym),

●

stale drobnoziarniste

– drobne wydzielenia innych faz hamuj

ą

rozrost ziaren (teoria barier)

(ruch granic dopiero po rozpuszczeniu lub koagulacji tych faz),

(+!)

(R. Haimann)

stale gruboziarniste

stale drobnoziarniste

- niestopowe (specjalnie uspokojone)

(np. tlenki, azotki Al)

- stopowe (dodatki lub mikrododatki)

(np. w

ę

gliki Ti, V, W)

Przemiana dyfuzyjna

austenit

⇒

⇒

⇒

⇒

perlit

●

przemiana eutektoidalna przechłodzonego austenitu

- izotermiczne wygrzewanie w temp. A

r1

= A

1

-

∆∆∆∆

T

(przechłodzenie stałe),

- ci

ą

głe chłodzenie (nieprzerwany wzrost przechłodzenia),

●

zarodki dwufazowe (na granicach ziaren austenitu) ale nie obie fazy jednocze

ś

nie

(uwa

ż

a si

ę

,

ż

e pierwszy zarodkuje Fe

3

C co ułatwia zarodkowanie ferrytu itd.)

,

γγγγ

0,77

→

→

→

→

(

α

0,02

+Fe

3

C

6,67

)

●

ro

ś

ni

ę

cie zarodka

→

płytkowa kolonia perlitu

- wzrost kolonii perlitu jest ró

ż

ny w kierunku

czołowym i bocznym (Mehl)

●

budowa płytkowa, gdy

ż

zapewnia

(+!)

●

budowa płytkowa, gdy

ż

zapewnia

najwi

ę

ksz

ą

szybko

ść

przemiany

,

- pó

ź

niejsze wy

ż

arzanie

→

sferoidyzacja Fe

3

C,

(R. Haimann)

Ró

ż

nie zorientowane kolonie perlitu w stali eutektoidalnej, trawione Mi1Fe

(A. Krajczyk)

Kinetyka przemiany austenit

→

→

→

→

perlit (przy

∆

T = const)

●

krzywa kinetyki przemiany

- charakterystyczny kształt litery S,
- wyst

ę

puje okres inkubacji,

- chwilowa szybko

ść

przemiany zale

ż

y od

stopnia zaawansowania przemiany,

●

szybko

ść

przemiany v = f (

∆∆∆∆

T) ,

dla danego

∆∆∆∆

T jest okre

ś

lana umownie

w punkcie przegi

ę

cia krzywej (maksymalna),

- wykazuje maksimum przy

∆∆∆∆

T

≅≅≅≅

175 K,

- pó

ź

niej maleje z powodu utrudnie

ń

w dyfuzji C,

k

v

∆∆∆∆

T = const

∼∼∼∼

550

°

C

= 727

°

C

(+!)

v

p

p

k

Krzywe kinetyki przemiany perlitycznej
dla ró

ż

nych przechłodze

ń

(ka

ż

da w warunkach izotermicznych)

(R. Haimann)

v

0

Wykres izotermicznej przemiany austenitu - CTPi

p

k

⇐

Perlit grubopłytkowy

⇐

Perlit drobnopłytkowy

⇐

⇐

⇐

⇐

bainit górny

←

←

←

←

sorbit hartowania (płytki widoczne przy pow. ok. 500x)

←

troostyt hartowania (płytki niewidoczne pod

mikroskopem optycznym)

krzywa chłodzenia

T

m

●

dyfuzyjna przemiana perlityczna od temperatury A

r1

do T

m

(

∆

T

≅

175 K)

⇒

mieszanina płytkowa

- odległo

ść

mi

ę

dzy płytkami od 1,0 do 0,1

µ

m,

- płytki ferrytu około 7 razy grubsze od płytek cementytu,

(+!!!)

CTPi dla stali eutektoidalnej (0,77 %C)

⇐

⇐

⇐

⇐

bainit górny

⇐

⇐

⇐

⇐

bainit dolny

⇐

⇐

⇐

⇐

martenzyt

(R. Haimann)

Wpływ szybko

ś

ci chłodzenia (przechłodzenia) na wła

ś

ciwo

ś

ci perlitu

• im wi

ę

ksze przechłodzenie

∆∆∆∆

T tym mniejsza odległo

ść

mi

ę

dzypłytkowa (s) w perlicie

R

p 0,2

= -85,9 + 8,3 s

-1/2

600

700

800

900

cementyt

R

p 0,2

MPa

(+)

s

50

500

70

90

110

130

ferryt

s

-1/2

, mm

-1/2

Ś

rednia

odległo

ść

mi

ę

dzypłytkowa

s [

µ

m]

0,6-1,0

0,25-0,30

0,10-0,15

Twardo

ść

HB

180-250

250-350

350-450

(B. Ku

ź

nicka)

Przemiana perlityczna w stalach nieeutektoidalnych

●

w stopach nieeutektoidalnych, w warunkach nierównowagi (znaczne

przechłodzenia) tworzy si

ę

perlit drobnopłytkowy o zawarto

ś

ci w

ę

gla

odbiegaj

ą

cej od 0,77% nazywany

quasi-eutektoidem

(

quasi-perlitem

),

●

po przechłodzeniu do temp.

T

q

nawet w stalach o małej zawarto

ś

ci C

powstaje sam drobnopłytkowy quasi-perlit (twardy i nieci

ą

gliwy),

●

zjawisko sztucznego zwi

ę

kszania udziału perlitu w strukturze

wykorzystywane jest, np. w niskow

ę

glowych spawalnych stalach

konstrukcyjnych (przy

ś

pieszone chłodzenie austenitu na powietrzu),

II

(+!!!)

●

w stalach zaeutektoidalnych zjawisko to mo

ż

na wykorzysta

ć

do likwidacji Fe

3

C

II

ale tracimy np. na skrawalno

ś

ci,

CTPi dla stali przedeutektoidalnej

CTPi dla stali zaeutektoidalnej

quasi-eutektoid

T

q

Obszar quasi-eutektoidu w zale

ż

no

ś

ci

od przechłodzenia przed przemian

ą

perlityczn

ą

.

T

q

T

q

(R. Haimann)

CTPi – warunki izotermiczne

CTPc – chłodzenie ci

ą

głe

(L.A. Dobrza

ń

ski)

(+)

(R. Haimann)

Wykres CTPc stali niestopowej (0,35% C)

twardo

ść

HV

Cechy przemiany perlitycznej w warunkach nierównowagi:

●

przemiana dyfuzyjna (

∆

T

→

zarodek

→

ro

ś

ni

ę

cie zarodka)

●

wykazuje okres inkubacji, w którym nast

ę

puje wst

ę

pna dyfuzja w

ę

gla w austenicie,

●

produktem przemiany jest płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu,

●

zarodki perlitu powstaj

ą

na granicach ziaren austenitu i wrastaj

ą

w metastabilny austenit,

●

mo

ż

e zachodzi

ć

w warunkach izotermicznych oraz podczas ci

ą

głego chłodzenia,

(+)

●

mo

ż

e zachodzi

ć

w warunkach izotermicznych oraz podczas ci

ą

głego chłodzenia,

●

przebiega do ko

ń

ca,

●

im wi

ę

ksze przechłodzenie, tym drobniejsze płytki perlitu,

●

w stopach nieeutektoidalnych – quasi-eutektoid o zawarto

ś

ci w

ę

gla ró

ż

nej od 0,77%,

(płytkowa mieszanina zajmuje wi

ę

ksz

ą

obj

ę

to

ść

w strukturze ni

ż

w warunkach równowagi)