1

•

Przemiana jednej fazy w drugą wymaga

zwykle czasu; przemiany dyfuzyjne

•

Jak szybkość przemiany zależy od czasu i

temperatury? Jaka jest kinetyka przemiany?

•

Jak można spowolnić przemiany, aby otrzymać

struktury odbiegające od stanu równowagi.

• J

akie są własności mecaniczne nierównowagowych

struktur? czy są lepsze, czy gorsze?

Fe



(Austeni
t)

Przemiana

eutektoidalna

C

RSC

Fe

3

C

(cementyt)



(ferryt)

+

(RPC)

Przemiany fazowe

2

Przemiany Fazowe

Zarodkowanie

– zarodki służą jako „nasiona”, z których

wyrastają kryształy

– szybkość przyłączania atomów do zarodka musi

być wieksza od szybkości odrywania się atomów

– uformowany zarodek wzrasta, aż do osiągnięcia

stanu równowagi

Siłą pędną zarodkowania jest wzrost T

– przechłodzenie

(eutektyka, eutektoid)

– przegrzanie

(peritektyka)

Małe przechłodzenie  niewiele zarodków – duże kryształy

Duże przechłodzenie  gwałtowne zarodkowanie – wiele

zarodków, małe kryształy

3

Proces Zarodkowania

• Zarodkowanie jednorodne (homogeniczne)

– zarodki tworzą się w całej objętości ciekłego metalu
– wymaga znacznego przechłodzenia (zwykle 80-300°C max)

• Zarodkowanie niejednorodne

(heterogeniczne)

– znacznie łatwiejsze, ze względu na obecność

stabilnych „zarodków”

• Mogą to być ściany wlewnicy lub cząstki

zanieczyszczeń w fazie ciekłej

– krzepnięcie może zachodzić z przechłodzeniem

zaledwie 0.1-10ºC

4

Szybkość Przemian Fazowych (1)

Kinetyka

–

dochodzenie do stanu równowagi w

czasie; układy równowagi czasowej

Stała temparatura i pomiar przemiany w czasie

Fale dźwiękowe – jedna próbka

Przwodnictwo elektryczne

Dyfrakcja rentgenowska – wiele próbek

Jak mierzyc postęp przemiany?

Dylatometria

5

Szybkość Przemian Fazowych (2)

6

Szybkość Przemian Fazowych (3)

Równanie Avrami’ego =>

y

= 1- exp (-k

t

n

)

– k & n stałe dla danej próbki
(niezależne od czasu)

Cały materiał
przemieniony

log t

U

ła

m

e

k

p

rz

e

m

ie

n

io

n

y

,

y

Stał T

ułamek
przemienio
ny

czas

0.5

Umowa: r = 1 /

t

0.5

Szybkość maksymalna

t

0.5

szybkość wzrasta – wzrasta
powierzchnia, zarodki rosną

7

Szybkość Przemian Fazowych (4)

• Ogólnie, szybkość wzrasta, gdy T 

r = 1/

t

0.5

= A e

-Q/RT

– R = stała gazowa
– T = temperatura (K)
– A = współczynnik (stała)
– Q = energia actywacji

Równanie
Arrheniusa

r często małe:
równowaga nie
jest możliwa!

8

Przemiany i Przechłodzenie

•

Może zachodzić w:

...727ºC

...poniżej 727ºC (“przechłodzenie”)

•

Przem. Eutektoidalna w Fe-C







+

Fe

3

C

0.76% C

0.022% C

6.7% C

Fe

3

C

1600

1400

1200

1000

800

600

400

0

1

2

3

4

5

6

6.7

L



(austenit)

+L



+Fe

3

C

 +Fe

3

C

L+Fe

3

C



(Fe)

C

o

, % mas. C

1148°C

T(°C)



ferryt

727°C

Eutektoid:

T

transf

.

= 727

º

C

T

Przechłodzenie by T

transf.

<

727



C

0

.7

6

0

.0

2

2

9

Przemiana Eutektoidalna

(Perlityczna)

Perlit gruby



powstaje w wyższej T – bardziej

miękki

Perlit drobny



powstaje w niższej T - twardszy

Konieczna

dyfuzja C











• Wzrost perlitu z austenitu:















kierunek

wzrostu

perlitu

Austenit ()

grnica

ziarna

cementyt (Fe

3

C)

Ferryt ()



• Szybkość
przemiany
wzrasta z T.

675°C

(T smaller)

0

50

y

(

%

p

e

rl

it

u

)

600°C

(T larger)

650°C

100

10

Szybkość reakcji jest wynikiem

zarodkowania i

wzrostu

Przykłady:

Zarodkowanie i Wzrost

% Perlit

0

50

100

Zarodkowanie

Wzrost

log

(czas)

t

0.5

Szybkość zarodkowania wzrasta z T

Szybkość wzrostu wzrasta z T

T tuż poniżej

T

E

Mała szybkość zarodkowania

Szybkość wzrostu duża



kolonia

perlitu

T średnio poniżej

T

E



Średnia szybkość zar.

Szybkość wzrostu średnia

Szybkość zarodkowania duża

T dużo poniżej

T

E



Szybkość wzrostu mała

11

Wykresy przemian

izotermicznych

Układ fazowy Fe – C nie uwzględnia czasu
potrzebnego na osiągniecie stanu równowagi,
tzn. że:

Układ Fe – C nie rozróżnia wolnego i szybkiego
chłodzenia.

Wolne
chłodzenie

mikrostruktur
a Fe-Fe

3

C

Szybkie
chlodzeniei
ng

Martenzyt

Jaka mikrostruktura pomiędzy tymi szybkościami?
- Wykresy Czas – Temperatura – Przemiana
(Izotermiczna)

12

Wykresy Przemian

Izotermicznych

• Układ Fe-C, C

o

= 0.76 wt. %

C
• Przemiana w T = 675°C.

100

50

0

1

102

104

T = 675°C

y

,

%

p

rz

e

m

ia

n

y

czas (s)

400

500

600

700

1

10

10

2

10

3

10

4

10

5

0%

pe

rlit

10

0%

50

%

Austenit (stabilny)

T

E

(727C)

Austenit

(niestabilny)

Perlit

T(°C)

czas (s)

przemiana izotermiczna w 675°C

13

• Skład Eutektoidalny, C

o

= 0.76 wt. % C

• Początek w T > 727°C
• Gwałtowne chłodzenie do 625°C i izotermiczne
wytrzymanie

Wpływ historii chłodzenia

400

500

600

700

0%

pe

rlit

10

0%

50

%

Austenit (stabilny)

T

E

(727C)

Austenit

(niestabilny)

Perlit

T(°C)

1

10

102

103

104

105

czas (s)

 



 



14

Wykresy CTPi

Poszczególne krzywe
na wykresie dotyczą
zwykle początku
przemiany, 50%
przemiany i końca
przemiany

Krzywe na wykresach
CTP mają kształt litery
c, gdyż zarówno w
pobliżu temperatury
równowagi, jak i w
temperaturach
niskich, w których
ustają procesy
dyfuzyjne, czas
potrzebny do
rozpoczęcia
przemiany jest bardzo
długi

15

Wykresy CTPi

CP – perlit gruby

CF – perlit
drobny

A – austenit

M – martenzyt

B – bainit

16

Przemiany w stopie

nadeutektoidalnym

Skład nadeutektoidalny – cementyt
nadeutektoidalny, tzw.

cementyt wtórny

lub

cementyt drugorzędowy



C

O

= 1.13% mas.

C

T

E

(727°C)

T(°C)

czas (s)

A

A

A

+

C

P

1

10

10

2

10

3

10

4

50
0

70
0

90
0

60
0

80
0

A

+

P

Fe

3

C

(

ce

m

e

n

ty

t)

1600

1400

1200

1000

800

600

400

0

1

2

3

4

5

6 6.7

L



(austenit)

+L



+Fe

3

C

 +Fe

3

C

L+Fe

3

C



(Fe)

C

o

, %C

T(°C)

727°C

T

0

.7

6

0

.0

2

2

1

.1

3

17

Nierównowagowe Produkty

Przemiany

• Bainit:

-- listwy lub płytki z długimi wydz.
Fe

3

C

--przem. pośrednia

• Wykres CTPi

Fe

3

C

(cementyt)

5 m

(ferryt)

10

10

3

10

5

time (s)

10

-1

400

600

800

T(°C)

Austenit (stabilny)

200

P

B

T

E

0%

10

0%

50

%

granica perlit/bainit

A

A

100% bainit

100% perlit

Przemianę austenitu w bainit
nazywa się przemianą
bainityczną. Przemiana ta
wykazuje pewne cechy
przemian dyfuzyjnych oraz
bezdyfuzyjnych i z tego
względu jest również nazywana
przemianą pośrednią. Bainit jest
mieszaniną przesyconego
ferrytu i węglików.

18

Przemiany Fazowe w Stalach

Wpływ pierwiastków

stopowych na
temperaturę przemian

Cr, Ni, Mo, Si, Mn

opóźniają przemianę

   +

Fe

3

C

19



(RSC)



(RPC)

+

Fe

3

C

Tworzenie Martenzytu

wolne
chłodzenie

odpuszczanie

hartowani
e

M (TPC)

M = martenzyt

struktura kryst. tetragonalna przestrzennie

centrowana (TPC)

Przemiana bezdyfuzyjna

TPC gdy C > 0.15%

mas.

BCT



mało systemów poślizgu



twarda,

krucha

20

Tworzenie martenzytu

Martenzyt tworzy się, gdy atomy węgla mają zbyt
mało czasu aby przedyfundować i utworzyć ferryt
i cementyt (perlit).

Minimalna szybkość chłodzenia zapewniająca
utworzenie martenzytu nazywa się

krytyczną

szybkością chłodzenia

.

Krytyczna szybkość chłodzenia zależy od
zawartości węgla:

mniej węgla – wieksza szybkość krytyczna

Przemiana martenzytyczna jest procesem

bezdyfuzyjnym

. Martenzyt jest fazą metastabilną

tylko dlatego, że dyfuzja węgla została
zatrzymana.

Gdy martenzyt zostanie ogrzany do temperatury,
w której atomy węgla staną sie ruchliwe, to atomy
węgla oddyfundują z zajmowanych pozycji i
utworzą węgliki.

21

Umocnienie żelaza

• Austenit może zawierać do ok.

10% at. węgla, który może

pozostać w roztworze w wyniku

szybkiego chłodzenia

• Podczas chłodzenia zachodzi

przemiana fazy  w fazę 

• Resultat: przesycony roztwór

stały węgla w ferrycie.

• Ferryt nie ma już struktury

regularnej, lecz tetragonalną.

Jest to

martenzyt

.

Umocnienie przy dużych zawartościach

węgla (i azotu)

22

Wykres przemiany (izotermiczny)

• przemiana

 w M

- jest bardzo szybka!
- % przem. zależy tylko od
T

Martenzyt: Układ Fe-C

Igły Martenzytu

Austenit

6

0



m

10

10

3

10

5

czas (s)

10

-1

400

600

800

T(°C)

Austenit

200

P

B

T

E

0%

10

0%

50

%

A

A

M + A

M + A

M + A

0%

50%

90%

23

Martenzyt

W stalach wyróżnia się zasadniczo dwa typy martenzytów:
martenzyt listwowy (masywnym) oraz martenzyt
płytkowy (zbliźniaczony lub iglasty). W martenzycie
listwowym odkształcenie uzupełniające zachodzi jedynie w
wyniku poślizgu, dlatego jego struktura odznacza się dużą
gęstością dyslokacji, wynoszącą zwykle 10

15

- 10

16

m

–2

. W

przypadku martenzytu płytkowego odkształcenie nie
zmieniające struktury krystalicznej prowadzi do powstania
bardzo dużej liczby drobnych (o grubości ok. 5 nm)
bliźniaków oraz również do zwiększenia gęstości dyslokacji

24

Martenzyt

Szybkość migracji granic międzyfazowych podczas
przemiany martenzytycznej jest porównywalna z
szybkością rozprzestrzeniania się dźwięku w stali, dlatego
też wzrost poszczególnych płytek martenzytu zachodzi
bardzo szybko, a postęp przemiany w miarę obniżania
temperatury jest realizowany dzięki tworzeniu się nowych
płytek

25

Tworzenie martenzytu

atomy Fe

potencjalne

miejsca atomów C

26

Tworzenie martenzytu

Przemiana austenitu w martenzyt
rozpoczyna się w temperaturze

M

s

(

Martensite start

) Przemiana

przebiega w miarę obniżania
temperatury aż do osiagnięcia
temperatury

M

f

(

Martensite finish

)

Temperatury M

s

i M

f

zależą silnie od

zawartości węgla.

Ze względu na bardzo duże znaczenie
praktyczne temperatury Ms w stalach,
czyniono wiele prób mających na celu
ustalenia zależności między składem
stali i temperaturą Ms. Jedna z takich
zależności ma postać:

Ms ( ̊C) = 561 − 474 · (% C) − 33 · (% Mn) − 17 · (% Ni) − 17 · (%
Cr) − 21 · (% Mo)

27

Własności martenzytu

Martenyt jest kruchy

bo:

- atomy węgla są uwięzione
w lukach, które sa od nich
mniejsze – powstają duże
naprężenia;

- powstaje olbrzymia

liczba dyslokacji (jak
podczas odkształcenia
plastycznego); dyslokacje te
blokują poślizg innych
dyslokacji;

- struktura krystaliczna

ma mniejszą symetrię:
tetragonalną a nie
regularną.

28

Własności martenzytu

Wpływ zawartości węgla na parametr komórki
austenitu i parametry a i c martenzytu

c/a = 1 + 0,045 A (%
C)

29

Hartowność

Hartownością

nazywamy zdolność stali do

tworzenia struktury martenzytycznej w procesie
hartowania

Wszystkie pierwiastki
stopowe przesuwają
wykresy CTP w prawo

Wyjątek: Co

Więcej
pierwiastków
stopowych

BLepsza
Hartowność

Najmniejszą szybkość
chłodzenia, przy której nie
tworzą się jeszcze dyfuzyjne
produkty przemiany austenitu,
nazywa się

krytyczną

szybkością chłodzenia

30

Wykresy CTPc

Dla praktyków
większe znaczenie
mają wykresy

CTPc

,

gdyż podczas
przemysłowej
obróbki cieplnej
zachodzi ciągła
zmiana temperatury
obrabianych
elementów.
Jakościowo wykresy

CTPc

są względem

wykresów CTPi
przesunięte w prawo
oraz w kierunku
niższych temperatur.

31

CCT Diagram for alloy steel

32

Transformation Diagrams

33

Hartowność - "efekt masy"

34

Odpuszczanie

Odpuszczanie

- Obróbka

cieplna, polegająca na
nagrzaniu (

do

temperatury poniżej
temp. przemian

y)

zahartowanej stali w celu
poprawy własności
plastycznych (

ciągliwości

i udarności

)

Jedną z najlepszych
kombinacji własności
wytrzymałościowych i
plastycznych uzyskują
stale po odpuszczaniu
struktury
martenzytycznej.

35

Odpuszczanie Martenzytu

• eliminacja kruchości martenzytu,
• redukcja naprężeń hartowniczych.

•

Spadek Rm, Re lecz wzrost % R

•

Bardzo drobne (dyspersyjne)

cząstki

Fe

3

C

sotoczone przez





9



m

Re (MPa)

Rm (MPa)

800

1000

1200

1400

1600

1800

30

40

50

60

200

400

600

Temp.

(°C)

%R

Rm

Re

%R

36

Odpuszczanie

Odpuszczanie stali
węglowych

37

Pierwiastki stopowe i

Odpuszczanie

Odpuszczani
e stali
stopowych

1. Opóźnienie

spadku
twardości

2. Nowe

węgliki
stopowe

3. Umocnieni

e
Dyspersyjn
e

38

Zmiany Strukturalne podczas

Odpuszczania

• Stdium I (do 250

o

C)

– Zarodkowanie weglików przejściowych (lubczęściowa

utrata tetragonalności martenzytu

• Stadium II (200 - 300

o

C)

– Rozkład austenitu szczątkowego na ferryt i cementyt

• Stadium III (250 - 350

o

C)

– Zamiana weglików przejściowych przez cementyt; całkowita

utrata tetragonalności martenzytu

• Stadium IV (powyżej 350

o

C)

– Rozrost i sferoidyzacja cementytu; rekrystalizacja osnowy

ferrytycznej

• Stadium V – tylko w stalach stopowych (powyżej

450

o

C)

– Zamiana cementytu przez wegliki stopowe, twardość wtórna

39

Martempering

40

Austempering

41

Review of Phase Transformation in

Steel

42

Summary of Microstructures

43

Case Study - High Speed Steels

Chemical
Composition

C

0.7 -

1.6%
W

0 - 20%

Mo

0 - 10%

Cr

4 - 5%

V

1 - 5%

Co

0 - 15%

Requirements:

• Great hardness
• Resistance to softening at

high temperature (red
hardness)

• Impact toughness
• Wear resistance

44

Case Study - High Speed Steels

Carbide formers:

V

MC

W

M

6

C, MC, M

2

C

Mo

M

6

C, MC

Cr

M

32

C

6

,

45

Heat Treatment of steel

• Annealing
• Normalizing
• Hardening
• Tempering
• Other, e.g. recrystallization annealing

In all of these processes the steel is heated fairly
slowly to some predetermined temperature, and
then cooled.
It is the

rate of cooling

which determines the

resultant microstructure and, hence, the

mechanical properties

46

Heat Treatment of steel

• If the material must be hard and strong, the steel

is quenched. However, this material is also brittle

• If great ductility is required, the material is

cooled slowly. Then, the steel will be very
machnableand formable. However, it will not
hace good strength or hardness

• If both strength and ductility are required,

alloying elements can be added. This will
increase the cost of the material

47

Annealing

Spheroidization Annealing
- to improve machinability or cold-working

- usually sub-critical operation

(no change phase is

involved)

- pearlite undergoes a physical change in pattern

48

Annealing

Microstructures

49

Annealing

Recrystalization Annealing -

was addressed

during Lab

- also sub-critical operation

(no change phase is

involved)

- softening in order to apply further cold work

50

Normalizing

Normalizing

- heat treatment that involves slow

cooling

Steel is heated above the upper transformation
temeperature and then cooled in still air at room
temperature

51

Własności Mechaniczne

• Więcej % C: Rm i Re wzrastają , %A maleje.

• Wpływ % C

C

o

< 0.76 % C

Pod

eutekt.

Perlit

ferryt (miękki)

C

o

> 0.76 % C

Nad

eutekt.

Perlit

Cementyt

(twardy)

300

500

700

900

1100

Re(MPa)

Rm(MPa)

% C

0

0.5

1

hardness

0

.7

6

Pod-

Nad-

% C

0

0.5

1

0

50

100

%A

U

d

a

rn

o

ść

(

Iz

o

d

,

ft

-l

b

)

0

40

80

0

.7

6

Pod

Nad-

52

Układ Fe-C: Własności

Mechaniczne

• Perlit drobny vs. Perlit gruby vs. sferoidyt

• Twardość:

• % R

pow

:

drobny > gruby > sferoidyt
drobny < gruby < sferoidyt

80

160

240

320

%C

0

0.5

1

HB

perlit

drobny

perlit

gruby

sferoidyt

Podeut.

Nadeut.

0

30

60

90

%C

(

%

R

p

o

w

.)

perlit

drobny

perlit

gruby

sferoidyt

Podeut.

Nadeut.

0

0.5

1

53

Własności Mechaniczne (cd)

• Perlit drobny vs. Martenzyt:

• Twardość: drobny perlit << martenzyt

0

200

% C

0

0.5

1

400

600

HB

martenzyt

drobny perlit

Podeut.

Nadeut.

54

Podsumowanie: Opcje Procesów

Austenit ()

Bainit

( + Fe

3

C płytki/igły)

Perlit

( + płytki Fe

3

C +

fazy przedeutektoid.

Martenzyt

(faza TPC

przemiana

atermiczna

Martenzyt

Odpuszczony

( + b. drobne

Cząstki Fe

3

C)

wolne

chłodzenie

średnie

chłodzenie

szybkie

chłodzenie

ogrzanie

W

y

tr

zy

m

a

ło

ść

C

ią

g

liw

o

ść

martenzyt

bainit

drobny perlit

gruby perlit

sferoidit

Ogólny Trend

55

Iron-Carbon Diagram

Microstructures

Ferrite

Ferrite +

Pearlite

56

Iron-Carbon Diagram

Microstructures

Ferrite +

Pearlite

Widmanstatten
Structure

57

Iron-Carbon Diagram

Microstructures

Ferrite +

Pearlite

Transmission
Electron
Microscope

LM

58

Iron-Carbon Diagram

Microstructures

Pearlite + Secondary Cementite

59

Microstructures Produced on

Cooling

Martensite

Martensite +
Retained
Austenite (white)

60

Microstructures Produced on

Cooling

Upper Bainite

Lower Bainite

61

Microstructures Produced on

Cooling

Fine Pearlite (dark)

62

Tempering Microstructures

Tempered martensite

LM

TEM

63

Tempering Microstructures

Spheroidization of cementite

TEM

LM

64

Cast Irons

Cast Iron

- The Fe-C alloy with more than

2% C

Types of Cast Iron:

Gray

(most common)

White

(most brittle)

Malleable

(higher quality)

Ductile

or

Nodular

(higher quality)

65

Gray Cast Iron

66

Gray Cast Iron

67

Gray Cast Iron

68

White Cast Iron

69

Ledeburite

70

Malleable Cast Iron

71

Ductile (Nodular) Cast Iron

72

Thermomechanical treatment of

steels

Simultaneous application of heat and a
deformation process

Goal:

Refinement of microstructure

HSLA

Steels -

H

igh

S

trength

L

ow

A

lloy Steels

Micro-alloyed steels

Composition:

max. 0,2% C
1.5% Mn
Nb, Ti, V, Al < 0.15%

73

Controlled Rolling

74

Stale dwufazowe (DP)

75

Dual Phase Steels

76

Strengthening Mechanisms

• Solid solution

– by interstitial atoms
– by substitutional atoms

• Work hardening
• Refinement of grain size
• Dispersion strengthening

(particles,

precipitates)

77

Strengthening of iron

• The interstitial atoms and

dislocations have strain fields

around them - the strain

fields have opposite signs

• This leads to the formation of

interstitial concentrations or

atmospheres in the vicinity of

dislocations

Role of the interstitial solutes carbon
and nitrogen

78

Strengthening of iron

• The strengthening achieved

by substitutional solute
atoms is, in general, greater
the larger the difference in
atomic size of the solute
from that of iron

• the contribution to strength

from solid solution effects is
superimposed on hardening
from other sources, e.g.
grain size and dispersions

Substitutional solid solution

strengthening of iron

79

Strengthening of iron

• Hall–Petch relationship

between the yield stress σ

y

and the grain diameter d

• In practical terms, the finer

the grain size, the higher the
resulting yield stress

• The only strengthening

mechanism which reduces
ductile-to-brittle
transition temperature

Grain size

2

/

1

d

k

y

o

y









80

Strengthening of iron

• Steel is usually strengthened, often to a considerable degree,

by

controlling the dispersions

of the other phases in the

microstructure.

• The commonest other phases are

carbides

formed as a result of

the low solubility of carbon in α-iron

• Fe

3

C (cementite) can occur in a wide range of structures from

coarse lamellar

form (pearlite), to

fine rod

or

spheroidal

precipitates (tempered steels)

• In alloy steels, iron carbide is replaced by

other carbides

which

are thermodynamically more stable

• Other dispersed phases which are encountered include

nitrides

,

intermetallic compounds

, and, in cast irons,

graphite

.

Dispersion strengthening

81

Strengthening of iron

Work hardening is an important strengthening process
in steel, particularly in obtaining high strength levels
in rod and wire, both in plain carbon and alloy steels.
For example, the tensile strength of an 0.05% C steel
subjected to 95% reduction in area by wire drawing, is
raised by no less than 550 MN m

–2

, while higher

carbon steels are strengthened by up to twice this
amount. Indeed, without the addition of special
alloying elements, plain carbon steels can be raised to
strength levels above 1500 MN m

–2

simply by the

phenomenon of work hardening

Work hardening