S t r o n a | 1
Przedmiot: Badanie własności mechanicznych materiałów
Wykładowca: prof. dr hab. inż. Marek Blicharski
Autor opracowania: dr inż. Magdalena Rozmus-Górnikowska
Ćwiczenie nr 2
Temat: Umocnienie wydzieleniowe stopu Al z Cu +
umocnienie stali
Jedną z najczęściej stosowanych metod zwiększenia wytrzymałości metali jest
umocnienie cząstkami drugiej fazy. Wśród stopów umacnianych cząstkami
innej fazy wyróżnia się stopy umacniane wydzieleniowo i stopy umacniane
czÄ…stkami fazy dyspersyjnej.
W stopach umacnianych wydzieleniowo (utwardzanie wydzieleniowe,
umocnienie przez starzenie) cząstki innej fazy uzyskuje się podczas obróbki
cieplnej stopu polegajÄ…cej na rozpuszczaniu, przesycaniu i starzeniu. CechÄ…
tych stopów jest to, że ze wzrostem temperatury następuje koagulacja i
rozpuszczanie się cząstek. Dlatego stopy szybko miękną ze wzrostem
temperatury. Podczas starzenia z przesyconego i jednorodnego roztworu
stałego wydzielają się fazy metastabilne i stabilne, a różne fazy metastabilne
dają różne efekty umocnienia. Dlatego przez obróbkę cieplną można w
szerokim zakresie zmieniać własności stopów umacnianych wydzieleniowo.
W stopach umocnionych dyspersyjnie w miękkiej osnowie metalicznej
znajdujÄ… siÄ™ twarde nierozpuszczalne czÄ…stki innej fazy. CzÄ…stkami fazy
dyspersyjnej są zwykle tlenki charakteryzujące się bardzo małą szybkością
koagulacji i małą rozpuszczalnością ze wzrostem temperatury. Dlatego stopy
umacniane cząstkami fazy dyspersyjnej bardzo powoli miękną ze wzrostem
temperatury. Przykładami są cząstki Al2O3 w Al lub Cu oraz ThO2 w Ni.
Materiały takie uzyskuje się przez utlenianie wewnętrzne lub metalurgią
proszków. Ze względu na dużą stabilność cieplną stopy utwardzane
dyspersyjnie zachowują dużą wytrzymałość w wysokiej temperaturze.
Występująca w stopie faz ciągła, stanowiąca znaczną jego objętość, jest
nazywana osnowÄ…. TworzÄ…ce siÄ™ w osnowie czÄ…stki inne fazy sÄ… nazywane
wydzieleniami. Osnowa i wydzielenia umacniające powinny spełniać
następujące warunki:
- osnowa powinna być o dużej ciągliwości, natomiast wydzielenia twarde;
S t r o n a | 2
- twarde wydzielenia nie powinny tworzyć ciągłej błonki po granicach ziarn
osnowy, gdyż powstające w takich wydzieleniach pęknięcia mogą szybko
rozprzestrzeniać się przez materiał, powodując jego zniszczenie;
- cząstki wydzieleń powinny być drobne, o dużej gęstości, równomiernie
rozmieszczone w objętości stopu i przynajmniej częściowo koherentne z
osnową (wydzielenia koherentne to takie, na granicy których z osnową jest
zachowana ciągłość płaszczyzn i kierunków krystalograficznych);
- cząstki wydzieleń nie powinny mieć ostrych krawędzi, gdyż wówczas
sprzyjają zarodkowaniu pęknięć.
Jakie stopy można umacniać wydzieleniowo?
Umacniać wydzieleniowo można tylko takie stopy, które w stanie stałym w
wysokiej temperaturze majÄ… strukturÄ™ jednofazowÄ…, natomiast w niskiej
strukturę dwufazową, i w których przy niezbyt dużej szybkości chłodzenia,
można uzyskać roztwór przesycony. Do najważniejszych technicznych stopów
umacnianych wydzieleniowo należą stopy aluminium. Utwardzaniu
wydzieleniowemu są także poddawane stopy na osnowie innych pierwiastków,
np. miedzi (brÄ…zy berylowe), magnezu i tytanu. Umocnienie wydzieleniowe
wykorzystuje się w niektórych stalach, np. stalach maraging.
Przesycanie i starzenie: stop Al-4 % Cu
Wytworzenie roztworu
Stop o zawartości 4% Cu w stanie równowagi w temperaturze pokojowej
składa się z dwóch faz: kryształów roztworu stałego ą, stanowiącego osnowę i
kryształów fazy miÄ™dzymetalicznej qð (CuAl2). W celu rozpuszczenia czÄ…stek qð
oraz ujednorodnienia roztworu, stop jest nagrzewany do zakresu roztworu Ä…
(powyżej linii rozpuszczalności) i wytrzymywany (rys.1).
Przesycanie
Po uzyskaniu jednorodnego roztworu stałego ą stop jest oziębiany. Chłodzenie
powinno być wystarczajÄ…co szybkie, aby nie zdążyÅ‚a siÄ™ wydzielić faza qð, tj.
aby atomy Cu pozostawały w roztworze ą. Otrzymany roztwór jest roztworem
przesyconym (zawiera nadmiar atomów Cu, w porównaniu ze stanem
równowagi).
S t r o n a | 3
Rys. 1. Schemat obróbki cieplnej (łącznie z tworzącymi się mikrostrukturami)
powodujÄ…cej umocnienie wydzieleniowe stop AlCu4
Starzenie
Wytrzymywanie stopu w temperaturze otoczenia (starzenie naturalne) lub w
podwyższonej temperaturze (starzenie sztuczne) w celu doprowadzenia do
utworzenia wydzieleń w przesyconym roztworze.
Powolne chłodzenie z zakresu jednofazowego roztworu ą
Podczas powolnego chłodzenia stopu zawierającego 4% Cu z zakresu
jednofazowego roztworu ą do temperatury otoczenia, tworzą się duże
wydzielenia fazy qð na granicach ziarn roztworu Ä… (rys. 2). Spowodowane takimi
cząstkami umocnienie jest nieznaczne. Duże twarde cząstki na granicach
ziarn powodują natomiast znaczne pogorszenie odporności na pękanie.
Rys. 2. Schemat mikrostruktury stopu Al-4 % Cu po wolnym chłodzeniu z
zakresu Ä…
S t r o n a | 4
Procesy zachodzÄ…ce podczas starzenia
Procesy wydzielania w niskiej temperaturze są zwykle złożone, a sekwencja
wydzielania zależy od składu przesyconego roztworu i temperatury starzenia.
Wydzielanie faz stabilnych jest poprzedzone tworzeniem siÄ™ faz
metastabilnych nazywanych fazami przejściowymi (rys. 3). Dopiero wysoka
temperatura lub długie czasy starzenia powodują wydzielanie fazy stabilnej. W
początkowym okresie procesu starzenia, atomy składnika rozpuszczonego
(np. miedzi) rozmieszczone losowo w przesyconym roztworze tworzÄ… obszary
o zwiększonej zawartości składnika rozpuszczonego, zwane strefami
Guiniera-Prestona lub w skrócie  strefami GP. Strefy GP mają inny skład i
mogą mieć również inne odległości międzyatomowe niż osnowa, ale istnieje
ciągłość płaszczyzn i kierunków krystalicznych osnowy poprzez strefy. Strefy
GP zarodkujÄ… jednorodnie w osnowie i sÄ… koherentne z osnowÄ…, przy czym
płaskie powierzchnie stref są w pełni koherentne, natomiast zachowaniu
koherencji w obszarach krawędzi towarzyszą duże odkształcenia sprężyste. W
stopach Al-Cu strefy GP są skupiskami atomów o kształcie dysku, w innych
stopach strefy te mogą przybierać kształt sferyczny lub kształt igieł. W stopach
Al-Cu z wydłużeniem czasu starzenia następuje przemiana niektórych stref
GP w czÄ…stki qð  . CzÄ…stki qð  , podobnie jak strefy GP, sÄ… koherentne z osnowÄ….
Wydzielenia te mają tetragonalną strukturę krystaliczną, której parametry a i b
są takie same jak komórki elementarnej Al, natomiast parametr c jest znacznie
większy. Wydzielenia te podobnie jak strefy GP powodują umocnienie stopu.
Kolejna faza poÅ›rednia qð ma także strukturÄ™ tetragonalnÄ… ale o innych
parametrach niż faza qð  . TworzÄ…ce siÄ™ na dyslokacjach wydzielenia qð majÄ…
kształt płytek. Płaskie powierzchnie cząstek są w pełni koherentne z osnową,
natomiast krawÄ™dzie sÄ… niekoherentne. Tworzenie siÄ™ wydzieleÅ„ qð powoduje
zmniejszanie siÄ™ twardoÅ›ci stopu. Stabilna faza qð (Al2Cu) zarodkuje na
granicach ziarn osnowy oraz na granicach międzyfazowych
osnowa/wydzielenia qð . Jej granice z osnowÄ… sÄ… niekoherentne, a jej tworzenie
się prowadzi zawsze do zmniejszenia twardości stopu.
S t r o n a | 5
Rys. 3. TworzÄ…ce siÄ™ fazy metastabilne i faza stabilna podczas starzenia
stopów Al-Cu
Wpływ wydzielania poszczególnych faz na twardość przedstawiono na rys. 4.
Wydzielanie faz w procesie starzenia następuje w kolejności wzrostu ich
stabilności, zatem wydzielanie każdej następnej fazy prowadzi do
rozpuszczania się wydzielonej wcześniej, mniej stabilnej fazy.
Wpływ temperatury i czasu starzenia na granicę plastyczności stopu AlCu4
przedstawiono na rys. 5. Z tego rysunku wynika, że z obniżeniem temperatury
starzenia wydłuża się czas potrzebny do uzyskania maksymalnej
wytrzymałości. Starzenie w niskiej temperaturze jest korzystne, gdyż uzyskuje
się wtedy większą wytrzymałość, a ponadto jej maksimum rozciąga się na
większy przedział czasowy, co ułatwia realizację procesu starzenia. Ponadto
uzyskane własności są bardziej jednorodne. W procesie starzenia w wyższej
temperaturze optymalne własności wytrzymałościowe osiąga się w krótszym
czasie, wskutek czego warstwa powierzchniowa przedmiotu może być
przestarzona, a rdzeń niedostarzony.
S t r o n a | 6
Przestarzenie
strefy GP
czas
Rys. 4. Twardość przesyconego, a następnie starzonego stopu AlCu4 w
zależności od czasu starzenia w temperaturze 150oC
Czas starzenia, h
Rys. 5. Granica plastyczności przesyconego, a następnie starzonego stopu
AlCu4 w zależności od czasu starzenia w różnych temperaturach
Oddziaływanie dyslokacji z cząstkami
Umocnienie stopów cząstkami jest rezultatem oddziaływania cząstek z
dyslokacjami. Oddziaływanie zależy od wymiarów cząstek, ich wytrzymałości i
odległości między nimi. Wyróżnia się dwa mechanizmy oddziaływania
dyslokacji z czÄ…stkami (rys. 6):
·ð czÄ…stki sÄ… przecinane przez dyslokacje,
·ð czÄ…stki sÄ… opasywane i omijane przez dyslokacje.
Wydzielenia koherentne zwłaszcza małe są przecinane przez dyslokacje
osnowy. Jeżeli wydzielenia nie mogą być ścięte, gdyż są na przykład zbyt
twarde, to dyslokacje opasują cząstki. Po dojściu dyslokacji do cząstki zostaje
ona w tym miejscu zatrzymana, ale między cząstkami może poruszać się
nadal, w wyniku czego następuje wygięcie się dyslokacji, a następnie
twardość
Granica plastyczności, MPa
S t r o n a | 7
utworzenie pętli. Z chwilą powstania pętli dyslokacja uwalnia się i
przemieszcza dalej, podczas gdy cząstka z utworzoną na niej pętlą dyslokacji
stanowi bardziej efektywną przeszkodę dla ruchu następnych dyslokacji.
Rys. 6. Oddziaływanie dyslokacji z cząstkami wydzieleń: a-c) dyslokacja
przecina czÄ…stkÄ™, d-f) dyslokacja opasuje czÄ…stkÄ™ (mechanizm Orowana)
Aby dyslokacja mogÅ‚a siÄ™ przemieszczać, naprężenie tð dziaÅ‚ajÄ…ce w
płaszczyz
nie i kierunku poślizgu musi być wystarczająco duże do
przepchnięcia dyslokacji między cząstkami. Krytyczna sytuacja występuje przy
półkolistym wygięciu dyslokacji, gdyż wówczas promień krzywizny dyslokacji
jest najmniejszy. W tym przypadku siÅ‚a tðbL dziaÅ‚ajÄ…ca na odcinek dyslokacji
między cząstkami równoważona jest siłą 2T napięcia dyslokacji działającą na
obu końcach wybrzuszenia (rys. 7). Dla takiej sytuacji, korzystając z równania:
tð = Ä…Gb/Á i z tego, że krytyczne naprężenie tð wystÄ™puje, gdy Á = L/2,
otrzymujemy
tð = 2Ä…Gb/L
gdzie:
b  długość wektora Burgersa dyslokacji
L  odległość między cząstkami w płaszczyz
nie poślizgu dyslokacji
T  napięcie dyslokacji [T = ąGb2]
G  moduł sprężystości postaciowej.
Krytycznym zagadnieniem jest wyznaczenie odległości między cząstkami w
płaszczyz
nie poślizgu dyslokacji. Ogólnie można przyjąć, że jest ona wprost
S t r o n a | 8
proporcjonalna do wielkości cząstek (promień r), a odwrotnie proporcjonalna
do pierwiastka kwadratowego z objętości względnej cząstek f.
1
Gb
2
tð =ð C f
r
Gdzie C - stała. Z równania tego wynika, że wzrost granicy plastyczności
stopu zależy od ułamka objętościowego zajmowanego przez cząstki oraz od
wielkości cząstek. Im większy ułamek objętościowy cząstek oraz im cząstki są
mniejsze, tym większe umocnienie. Największe umocnienie powodują małe,
wytrzymałe, gęsto rozmieszczone cząstki. Cząstki duże, ale luz
no
rozmieszczone w strukturze nie wywołują znacznego umocnienia.
Rys. 7. Wyginanie dyslokacji pomiędzy twardymi cząstkami innej fazy.
Naprężenie styczne osiąga wartość krytyczną, gdy dyslokacja jest wygięta w
łuk o promieniu równym połowie odległości między cząstkami
S t r o n a | 9
UMOCNIENIE
Czyste metale, ze względu na to, że występujące w nich wiązania między
atomami są metaliczne, a zatem bezkierunkowe, oraz z tego względu, że w
ich strukturach krystalicznych atomy są tego samego rodzaju i są gęsto
ułożone, charakteryzują się bardzo dobrą plastycznością i względnie małymi
własnościami wytrzymałościowymi (np. żelazo, aluminium, miedz
, złoto). Dużą
wytrzymałość metali uzyskuje się poprzez ograniczenie przemieszczania się
dyslokacji. Ze względu na istniejące przeszkody w ruchu dyslokacji wyróżnia
się następujące rodzaje (mechanizmy) umocnienia: przez rozpuszczone
atomy innego pierwiastka lub pierwiastków (umocnienie roztworowe), przez
wzrost gęstości dyslokacji (umocnienie dyslokacyjne, odkształceniowe), przez
czÄ…stki innej fazy (umocnienie wydzieleniowe lub umocnienie czÄ…stkami fazy
dyspersyjnej) oraz przez rozdrobnienie ziarna.
Wymienione mechanizmy można łatwo zastosować do umocnienia stali,
wobec czego uzyskanie stali o odpowiednio dużej wytrzymałości jest
względnie łatwe. Problemy rozpoczynają się dopiero wówczas, gdy stal oprócz
wymagań wytrzymałościowych musi spełniać określone inne wymagania.
Umocnienie stali
Rozpuszczalność węgla w ferrycie jest bardzo mała (w temp. 20 oC wynosi ok.
10-8 %, a w temp. 727oC 0,022 %), podczas gdy austenit charakteryzuje siÄ™
względnie dużą rozpuszczalnością węgla (2,14 % w temp. 1147 oC). Podczas
chłodzenia austenitu z temperatury jego stabilności do temperatury, w której
przestaje być stabilny, tworzy się mechanizmem dyfuzyjnym: ferryt ubogi w
węgiel oraz węgliki, lub jeżeli szybkość chłodzenia jest duża, tworzy się
mechanizmem bezdyfuzyjnym struktura krystaliczna przestrzennie centrowana
przesycona atomami międzywęzłowymi w stopniu nieosiągalnym w innych
stopach. Duża różnica w rozpuszczalności węgla w ferrycie i w austenicie oraz
bardzo duże umocnienie roztworowe ferrytu atomami węgla są
wykorzystywane do zwiększenia wytrzymałości stali przez obróbkę cieplną,
nazywaną hartowaniem, i są przyczyną dużej różnorodności mikrostruktur i
własności stali.
S t r o n a | 10
Austenit przechłodzony poniżej pewnej temperatury, nazywanej temperaturą
Ms, ulega przemianie bezdyfuzyjnej nazywanej przemianÄ… martenzytycznÄ….
Produkt tej przemiany jest nazywany martenzytem. Przemiana jest
bezdyfuzyjna, więc ogranicza się do zmiany struktury krystalicznej, bez
zmiany składu chemicznego. Dlatego skład martenzytu jest taki sam jak
austenitu, z którego się utworzył.
Martenzyt w stalach jest więc powstałym dzięki bezdyfuzyjnej przemianie
austenitu przesyconym roztworem węgla w żelazie ą o strukturze krystalicznej
tetragonalnej, przestrzennie centrowanej (jest to zdeformowana przez atomy
węgla struktura krystaliczna żelaza ą). Tetragonalność mierzona ilorazem c/a
rośnie wraz z zawartością węgla w martenzycie
c/a = 1 + 0,045 (%C).
Wpływ zawartości rozpuszczonego węgla na parametr komórki austenitu i
parametry a i c martenzytu przedstawiono na rys. 8.
b)
a)
Rys. 8. Wpływ zawartości rozpuszczonego węgla na parametry struktury
krystalicznej: a) austenitu, b) martenzytu
Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się w temperaturze Ms, której
położenie, podobnie jak temperatury końca przemiany Mf, jest bardzo silnie
zależne od składu stali. Zależność temperatur początku i końca przemiany
martenzytycznej od zawartości węgla, w przypadku stali węglowej,
przedstawiono na rys. 9.
parametry komórki
martenzytu, pm
S t r o n a | 11
Rys. 9. Zależność temperatury Ms i Mf od zawartości węgla w stali
W stalach wyróżnia się zasadniczo dwa typy martenzytów: martenzyt listwowy
(masywny) i martenzyt płytkowy (zbliz
niaczony lub iglasty). W martenzycie
listwowym odkształcenie nie zmieniające struktury krystalicznej zachodzi
jedynie w wyniku poślizgu dyslokacji, dlatego jego mikrostruktura odznacza się
dużą gÄ™stoÅ›ciÄ… dyslokacji, wynoszÄ…cÄ… zwykle 1015 ÷ 1016 m-2. W przypadku
martenzytu płytkowego odkształcenie nie zmieniające struktury krystalicznej
jest uzyskiwane przez bliz
niakowanie i poślizg, dlatego w strukturze występuje
bardzo duża liczba drobnych (o grubości ok. 5 nm) bliz
niaków oraz duża
gęstość dyslokacji. Bliz
niaki odkształcenia występują w części środkowej
poszczególnych płytek martenzytu. Typ tworzącego się martenzytu zależy
od zawartości węgla w stali; w stalach niskowęglowych dominuje martenzyt
listwowy, natomiast w stalach wysokowęglowych martenzyt płytkowy (rys. 10).
Rys. 10. Wpływ zawartości węgla rozpuszczonego w austenicie na rodzaj
tworzÄ…cego siÄ™ martenzytu w stali niestopowej
Umocnienie martenzytu spowodowane dużą gęstością dyslokacji i
rozdrobnieniem ziarna (grubość płytek martenzytu jest zwykle mniejsza niż 1
µm, a listwy sÄ… jeszcze cieÅ„sze) jest dominujÄ…ce jedynie w przypadku stali o
małej zawartości węgla. W stalach wysokowęglowych przeważa umocnienie
spowodowane atomami węgla w roztworze. Wpływ zawartości węgla na
wytrzymałość martenzytu przedstawiono na rys. 11. Szacunkowy udział
poszczególnych mechanizmów umocnienia w wytrzymałości martenzytu stali
S t r o n a | 12
węglowej o zawartości 0,4% C jest następujący: granice ziarn  620 MPa,
dyslokacje  270 MPa, węgiel w roztworze i skupiskach utworzonych podczas
oziębiania  1150 MPa, inne efekty  200 MPa. Twardość martenzytu zależy
głównie od zawartości węgla. Pierwiastki stopowe w zwykle stosowanych
ilościach mają niewielki wpływ na twardość martenzytu lub go nie mają w
ogóle.
Rys. 11. Zależność umownej granicy plastyczności stali zawierającej 100 %
martenzytu od zawartości węgla, wyznaczonej przy odkształceniu trwałym
wynoszÄ…cym 0,6 %
W procesie hartowania stali należy ją chłodzić od temperatury
austenityzowania z szybkością zapewniającą ominięcie przemian w zakresie
dyfuzyjnym. Ponieważ oziębianie podczas hartowania jest realizowane zwykle
w ośrodkach o temperaturze otoczenia, a temperatura Mf w stalach o większej
zawartości węgla jest niższa od temperatury otoczenia, więc po hartowaniu
takich stali pozostaje pewna ilość austenitu, która nie ulega przemianie,
nazywanego austenitem szczątkowym. Zależność ilości austenitu
szczątkowego od zawartości węgla w stali, po jej oziębianiu do temperatury
otoczenia, przedstawiono na rys. 12.
Rys. 12. Wpływ zawartości węgla na ilość austenitu szczątkowego w stali
oziębianej do temperatury otoczenia
S t r o n a | 13
Odpuszczanie
Pomimo że celem hartowania jest otrzymanie twardej stali o strukturze
martenzytycznej, to jednak stale bardzo rzadko sÄ… stosowane w stanie
zahartowanym, gdyż szczególnie stale wysokowęglowe, mają wtedy małą
odporność na pękanie i ciągliwość, a ponadto w materiale występują duże
naprężenia. W celu uzyskania optymalnych własności wytrzymałościowych i
ciągliwości wyroby zahartowane są odpuszczane. Podczas grzania
martenzytu (odpuszczania) następuje zmniejszenie naprężeń własnych,
wzrost ciągliwości i odporności na pękanie oraz zmniejszenie twardości i
wytrzymałości.
CechÄ… charakterystycznÄ… zahartowanej stali jest znaczne odchylenie jej
mikrostruktury od stanu równowagi. Martenzyt jest mocno przesycony węglem,
ma dużą gęstość dyslokacji, a niekiedy również mikrobliz
niaków ze względu
na odkształcenie nie zmieniające struktury krystalicznej oraz dużą
powierzchniÄ™ granic ziarn spowodowanÄ… rozdrobnieniem mikrostruktury. W
stali po hartowaniu występuje również austenit szczątkowy, którego ilość
zależy głównie od zawartości węgla w stali, a w przypadku stali stopowych
również od zawartości pierwiastków stopowych oraz naprężenia
spowodowanego zmianami objętości w czasie przemiany i występującymi
gradientami temperatury podczas oziębiania w procesie hartowania.
Wymienione niestabilności w mikrostrukturze martenzytu powodują
termodynamiczną siłę pędną przemian fazowych i zmian mikrostruktury
występujących podczas odpuszczania. Przesycenie martenzytu dostarcza siły
pędnej do wydzielania węglików, natomiast energia dyslokacji,
mikrobliz
niaków i granic ziarn stanowi siłę pędną dla zdrowienia i
rekrystalizacji. Przechłodzenie austenitu szczątkowego wywołuje siłę pędną
jego przemiany w ferryt i węgliki. Przy wystarczającej ruchliwości atomów te
siły pędne umożliwiają zachodzenie przemian fazowych w stalach
zahartowanych. RozpatrujÄ…c zjawiska zachodzÄ…ce podczas odpuszczania,
należy pamiętać o tym, że dyslokacje i granice ziarn są uprzywilejowanymi
miejscami zarodkowania węglików, natomiast powstające węgliki utrudniają
zdrowienie struktury dyslokacyjnej i rekrystalizacjÄ™ osnowy.
W stalach węglowych zawierających poniżej 0,2% C, ze względu na wysoką
temperaturę Ms, czas potrzebny na oziębienie stali od Ms do temperatury
otoczenia jest wystarczający na to, aby już w czasie oziębiania podczas
hartowania około 90% węgla oddyfundowało do dyslokacji. Odpuszczanie
takich stali w temperaturze powyżej 250oC prowadzi do wydzielania się
cementytu; w temperaturze poniżej 250oC węgliki nie wydzielają się.
S t r o n a | 14
Procesy zachodzące w strukturze stali średnio- i wysokowęglowych podczas
odpuszczania są znacznie bardziej złożone. Odpuszczanie w temperaturze
poniżej 100oC prowadzi jedynie do powstania skupisk atomów węgla bez
tworzenia się węglików. W temperaturze powyżej 100oC wyróżnia się cztery
stadia odpuszczania:
Pierwsze stadium odpuszczania (w zakresie temperatury 100 ÷ 200oC) 
powstają węgliki przejściowe, a zawartość węgla w martenzycie zmniejsza
się znacznie i maleje tetragonalność martenzytu. Przegrupowanie
dyslokacji nie następuje, gdyż uniemożliwiają to wydzielone na nich cząstki
węglików. Ilość węgla rozpuszczona w Fe, będąca w równowadze z węglikami
przejściowymi, jest znacznie większa w niż w równowadze z cementytem i
wynosi ok. 0,2%, dlatego w odpuszczanych stalach o zawartościach węgla
mniejszych niż 0,2% nie wydzielają się węgliki przejściowe. Wydzielanie
węglików przejściowych o dużej dyspersji powoduje znaczne
umocnienie stali, jednak zubożenie martenzytu w węgiel prowadzi do
znacznie większego jej zmiękczenia i dlatego wytrzymałość stali
odpuszczanych w tym zakresie temperatury maleje.
Drugie stadium odpuszczania (w zakresie temperatury 200 ÷ 350oC) 
następuje przemiana austenitu szczątkowego w ferryt i cementyt w wyniku
przemiany baintycznej. Występuje tylko w stalach o zawartości węgla większej
niż 0,4%C (przy mniejszych zawartościach węgla nie ma austenitu
szczątkowego, i nasila się ze wzrostem ilości węgla w austenicie). Przemiana
ta powoduje umocnienie stali.
Trzecie stadium odpuszczania (w zakresie temperatury 250 ÷ 400oC) 
następuje wydzielanie się cementytu, rozpuszczanie się węglików
przejściowych oraz dalsze zmniejszenie zawartości węgla w osnowie
martenzytycznej. Zarodkowanie i wzrost cementytu odbywa siÄ™ kosztem
węglików przejściowych, następuje zubożenie osnowy w węgiel oraz możliwe,
dzięki rozpuszczeniu się węglików przejściowych, przegrupowanie się
dyslokacji. Wszystko to prowadzi do znacznego zmniejszenia wytrzymałości
stali.
Czwarte stadium odpuszczania (w zakresie temperatury 400 ÷ 727oC) 
zachodzi koagulacja i sferoidyzacja czÄ…stek cementytu oraz rekrystalizacja
osnowy. Zwykle osnowa rekrystalizuje w sposób ciągły (in situ), a wzrost
podziarn zależy od szybkości koagulacji cząstek cementytu znajdujących się w
granicach podziarn. Nagrzanie zahartowanej stali do temperatury powyżej
727oC powoduje tworzenie siÄ™ austenitu.
S t r o n a | 15
W stanie zahartowanym i w temperaturze otoczenia własności
wytrzymałościowe stali węglowych niewiele ustępują własnościom stali
stopowych, o takiej samej zawartości węgla. Istotne różnice we własnościach
występują dopiero po odpuszczaniu (rys. 13) lub w podwyższonej
temperaturze. Własności wytrzymałościowe stali węglowych maleją bardzo
szybko wraz ze wzrostem temperatury odpuszczania. Zmiany własności stali
stopowych sÄ… znacznie wolniejsze, a w przypadku stali zawierajÄ…cych
pierwiastki o dużym powinowactwie do węgla (Mo, W, V), po odpuszczaniu w
temperaturach ok. 550oC, może występować nawet wzrost wytrzymałości.
Rys. 13. Zależność twardości od temperatury odpuszczania stali niestopowej,
zawierajÄ…cej 0,8 % C, i stali wysokostopowej (szybkotnÄ…cej), zawierajÄ…cej 0,8
% C, 18 % W, 4 % Cr i 1 % V
Przemiany podczas odpuszczania stali stopowych w temperaturach niższych
od 400 ÷ 450oC przebiegajÄ… podobnie jak w stalach wÄ™glowych. Obecność
pierwiastków stopowych powoduje jednak zmiany zakresów temperatury
wydzielania się węglików i przemiany austenitu szczątkowego oraz znaczne
zmniejszenie szybkości przemian. Odpuszczanie stali zawierających
pierwiastki o większym powinowactwie do węgla od żelaza, w temperaturach
wyższych od 400 ÷ 450oC, powoduje wydzielanie siÄ™ wÄ™glików stopowych. W
stalach zawierających takie pierwiastki jak W, Mo i V zarodkowanie węglików
stopowych zachodzi niezależnie od występujących cząstek cementytu. Węgliki
tych pierwiastków zarodkują głównie na dyslokacjach, a ponieważ są bardzo
drobne, więc wydzielaniu towarzyszy zwiększenie własności
wytrzymałościowych stali (rys.14). Wzrost twardości spowodowany
wydzielaniem się węglików stopowych jest nazywany twardością wtórną.
S t r o n a | 16
Rys. 14. Wpływ zawartości molibdenu na zależność twardości od temperatury
odpuszczania stali zawierajÄ…cej 0,35% C i 0,5% Cr