Metastabilność.
Metastabilność jest własnością delikatnej równowagi stanów, które są stabilne dla małych odchyleń od położenia równowagi, ale większe wychylenie powoduje zmianę stanu i przejście do równowagi pełnej, lub ew. innego stanu metastabilnego.
Zazwyczaj metastabilność jest spowodowana względnie wolnym tempem przejścia fazowego. Przypadkiem metastabilności jest alotropia pierwiastków chemicznych – przy danej temperaturze i ciśnieniu, w pełni stabilna jest tylko jedna odmiana, ale inne również mogą istnieć. Przykładowo, w temperaturze pokojowej diament jest metastabilny, ponieważ przejście do stabilnej postaci grafitu jest niezwykle powolne. Przy wyższych temperaturach tempo przejścia fazowego jest większe i diament przekształci się w grafit.

Hartowanie stopów żelaza.

Hartowanie stopów żelaza to rodzaj obróbki cieplnej stopów żelaza (np. stali), składający się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących faz. Pierwsza faza to nagrzewanie materiału do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (dla stali węglowej 727°C; zwykle 30°C do 50°C powyżej temperatury przemiany austenitycznej) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem. Stal o strukturze martenzytycznej nazywana jest stalą martenzytyczną lub hartowaną. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali.

Przy hartowaniu istotny jest dobór szybkości schładzania. Zbyt wolne schładzanie powoduje wydzielanie się cementytu i uniemożliwia przemianę martenzytyczną, podczas gdy zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstanie zbyt dużych naprężeń hartowniczych, które mogą doprowadzić do trwałych odkształceń hartowanego elementu lub jego pęknięć.

Szybkość schładzania wpływa także na głębokość hartowania. Przy elementach o większych rozmiarach, których grubość przekracza maksymalną głębokość hartowania, tylko część objętości przedmiotu hartowanego zostanie zahartowana. W takiej sytuacji martenzyt powstanie w warstwach powierzchniowych. Im głębiej zaś, tym udział martenzytu maleje, a cementytu wzrasta. Bardzo często jest to zjawisko pożądane, wtedy, gdy element ma być twardy na powierzchni, a ciągliwy w swym rdzeniu. Głębokość hartowania zależy także od hartowności stali.

Metody hartowania stali

Hartowanie zwykłe
Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego do zakresu austenitu, a następnie szybkim schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle wodnej lub olejowej, poniżej temperatury początku przemiany martenzytycznej, aż do temperatury otoczenia. Szybkość chłodzenia powinna być dobrana tak, by nie nastąpiły odkształcenia hartownicze. Chłodzenie w wodzie jest bardziej intensywne niż w oleju.

Hartowanie stopniowe
Polega na nagrzaniu przedmiotu hartowanego, a następnie szybkiemu schłodzeniu w kąpieli chłodzącej, zwykle ze stopionej saletry, do temperatury nieco powyżej temperatury przemiany martenzytycznej i przetrzymaniu w tej temperaturze, by nastąpiło wyrównanie temperatur w całym przekroju przedmiotu. W drugiej fazie, już w kąpieli wodnej lub olejowej, następuje dalsze schładzanie, w celu uzyskania przemiany martenzytycznej. Zaletą tej metody jest uniknięcie naprężeń hartowniczych. Wymaga jednak dużej wprawy przy określaniu czasu kąpieli pośredniej.

Hartowanie izotermiczne
Jest hartowaniem, w którym nie zachodzi przemiana martenzytyczna. Nagrzany przedmiot utrzymuje się w kąpieli z roztopionej saletry lub ołowiu, w temperaturze powyżej początku przemiany martenzytycznej. Nazwa metody pochodzi od faktu, iż kąpiel zachowuje stałą temperaturę. W hartowaniu tego typu nie powstaje martenzyt, lecz następuje rozpad austenitu na inne fazy, np. bainit, dając stali własności podobne jak po hartowaniu z odpuszczaniem. Zaletą metody jest brak naprężeń hartowniczych, lecz jest ona procesem długotrwałym, niekiedy przeciągającym się do kilku godzin.

Hartowanie powierzchniowe
Metoda, w której nie nagrzewa się całego przedmiotu (hartowanie na wskroś), lecz tylko powierzchnię przedmiotu. W związku z tym tylko warstwa powierzchniowa podlega hartowaniu. Stosowane wszędzie tam, gdzie wymagane jest utwardzenie tylko fragmentów powierzchni przedmiotu. Istnieje kilka metod hartowania powierzchniowego.

Hartowanie płomieniowe – powierzchnia przedmiotu lub jej fragment nagrzewana jest płomieniem palnika, a następnie schładzana silnym strumieniem wody.

Hartowanie indukcyjne – przedmiot przeciągany jest przez cewkę otaczającą go (możliwie najciaśniej). Prądy wirowe powstałe w przedmiocie powodują efekt powierzchniowy, w którym, wskutek oporności materiału, zamieniają się na ciepło. Mimo konieczności budowy skomplikowanych stanowisk hartowniczych, metoda ta zyskuje na popularności, ze względu na możliwość kontrolowania temperatury oraz głębokości nagrzewania.

Hartowanie kąpielowe – polega na zanurzeniu przedmiotu w kąpieli saletrowej lub ołowiowej i przetrzymaniu w niej na krótką chwilę. Temperatura kąpieli musi być na tyle wysoka, by w jej czasie powierzchnia przedmiotu podniosła się ponad temperaturę przemiany austenitycznej.

Hartowanie ślepe – hartowanie poniżej wartości temperaturowej właściwej dla nawęglania – zatem – hartowanie bez nawęglania.

Hartowanie laserowe- powierzchniowe hartowanie za pomocą wiązki laserowej nagrzewającej obrabiany przedmiot miejscowo. Głowica lasera umieszczona jest na manipulatorze laserowym, zaś ślad hartowniczy wyznaczany jest komputerowo CAD/CAM. Podczas hartowania laserowego do obrabianego detalu wprowadza się stosunkowo niewielką ilość ciepła co ogranicza rozrost ziarna a w konsekwencji krzywienie powierzchni. Nie są wymagane dodatkowe media chłodzące, obrabiany przedmiot schładza się samoistnie na zasadzie przewodnictwa cieplnego.

Hartowanie kontaktowe
Hartowanie elektrolityczne
Hartowanie impulsowe

Dodatki stopowe, takie jak mangan lub chrom, znacznie podwyższają hartowność stali poprzez zmniejszenie krytycznej prędkości chłodzenia, która przy stalach węglowych wynosi około 400 do 500 °C/s. Możliwość zmniejszenia tej prędkości wpływa na zmniejszenie naprężeń hartowniczych. Głębokość hartowania, jaką daje się uzyskać w stali węglowej, nie jest większa niż 3 do 10 mm, w zależności od jej składu. Dodatki stopowe pozwalają zwiększyć głębokość hartowania.

Wpływ pierwiastków stopowych na procesy obróbki cieplnej stali
1.Przemiany przechłodzonego austenitu
2.Hartowność
3.Przemiany podczas odpuszczania

Ad. 1. Dodatki stopowe mająistotny wpływ na przemianęprzechłodzonego austenitu (wykresy CTP). Wszystkie, oprócz kobaltu, przesuwają w prawo krzywą początku rozpadu austenitu, a przez to zmniejszają szybkość krytyczną przy hartowaniu. Zmieniają też położenie temperatur początku i końca przemiany martenzytycznej oraz kształt krzywych CTP.

Ad. 2
Pierwiastki stopowe, oprócz kobaltu, przesuwając w prawo krzywą początku rozpadu austenitu, zmniejszają szybkość krytyczną przy hartowaniu, a tym samym zwiększają hartowność stali.

Ad. 3
Pierwiastki stopowe wpływają na przebieg przemian podczas odpuszczania stali po hartowaniu, głównie powodując przesunięcie do wyższych temperatur rozkład martenzytu i przemiany austenitu szczątkowego w porównaniu do przemian zachodzących w stalach węglowych.

CTP- zależność struktury i własności od szybkości chłodzenia materiału.

Przemiana austenitu- przemiana alotropowa i dyfuzyjna w konsekwencji na granicy ziarna austenitu zarodkuje Fe3C( cementyt) bogaty w węgiel 6,67%, który to spowoduje zubożenie w węgiel w bliskim sąsiedztwie co jest przyczyną przemiany alotropowej żelaza Fe gama alfa i powstają płytki feriytu.

Hartowność stali- podatność stali na utwardzenie(wzrost twardości) w procesie hartowania. Składają się na nią: utwardzalność stali, której miarąjest zależność największej możliwej do uzyskania twardości od warunków austenizowania, oraz przehartowalność czyli głębokość zahartowania. Miarąprzehartowalnościjest średnica krytyczna np. D5o 50-mówi nam o tym, że 50% martenzytu jest w miejscu zahartowania

Krytyczna szybkość chłodzenia - najmniej sza szybkość chłodzenia, przy której uzyskamy jeszcze strukturę całkowicie martenzytyczną. Im mniejsza jest szybkość krytyczna tym większa jest hartowność stali.
Każda większa od krytycznej dająca też martenzyt nazywa się nadkrytyczną, a każda mniejsza podkrytyczną. Średnica krytyczna to taka średnica materiału, przy której w rdzeniu otrzymujemy strukturę 50% martenzytyczną. Im materiał ma mniejszą szybkość krytyczną, tym średnica materiału jest większa.
Na szybkość krytyczna chłodzenia(średnice krytyczna) wpłvwaja dwa czynniki:
- zawartość węgla i składników stopowych w austenicie(węgiel i dodatki stopowe, z wyjątkiem kobaltu, zwiększają hartowność)
- wielkość ziarna austenitu przed rozpoczęciem chłodzenia(im większe ziarno, tym mniejsza hartowność i większa szybkość chłodzenia