OBRÓBKA CIEPLNA STALI

def. - zespół zabiegów wywołujących polepszenie wł. mechanicznych i fizyko - chemicznyh, metali i stopów , wywołanych zmianami struktury(w stanie stałym) w wyniku zmian temperatury i czasu działania ośrodka.

Rodzaje OC :

1. zwykła

2.cieplno - chemiczna

3.cieplno - mechaniczna

4.cieplno - magnetyczna(magnetostrykcyjna)

I.Podstawy zwykłej OC stali

Siłą napędową procesu jest zmiana ΔF(energii swobodnej ukł.Fe- Fe₃C = f( T)

Rys.1.Zmiana energii swobodnej,austenitu,martenzytu i perlitu w funkcji temperatury.

Podstawą wszystkich operacji OC stali jest:

- Układ Fe - Fe₃C z temperaturami krytycznymi:

Gdzie: A₀ - temp. przemiany magnetycznej Fe₃C (210⁰C)

A₁ - temp. przemiany eutektoidalnej (linia PSK - 727⁰C)

A₂ - temp. przemiany magnetycznej Fe_α i ferrytu (F) - ( linia MO -770⁰C)

A₃ - temp. równowagii austenitu (A) z ferrytem (F) - (linia GOS )

A₄ - temp. równowagii austenitu (A) z ferrytem (δ) - (linia NJ)

A_cm - temp. równowagii austenitu (A) z cementytem wtórnym (C^'') - (linia SE )

A - z indeksem c lub r oznacza odpowiednio nagrzewanie lub chłodzenie

• 
  
  Wykres - CTP_c (czas - temperatura przemiana przy chłodzeniu ciągłym)

Rys.3.Wykres przemian austenitu przy chłodzeni ciągłym (CTPc) st. podeutektoidalna

- Wykres - CTP_i (czas - temperatura przemiana przy chłodzeniu izotermicznym)

Rys.4 Konstrukcja wykresu CTPi .

w/w wykresy określają rodzaj struktur i wzajemny ilościowy układ poszczególnych składników strukturalnych otrzymywanych odpowiednio przy chłodzeniu ciągłym(z różnymi prędkościami) lub w warunkach izotermicznych.

ad.1.

I. Przemiany przy nagrzewaniu stali (temp.>A_c3 , A_c1 i A_cm )→ pole austenitu(struktura-A)

cechy charakterystyczne przemiany:

1. charakter dyfuzyjny

1. zarodkowanie A na granicy międzyfazowej (F - Fe₃C) i ich dyf. wzrost

1. przemiana alotropowa F→ A (duża szybkość)

1. rozpuszczanie się węglików w A

konsekwęcją etapu 3 i 4 jest powstawanie:

• niejednorodnego austenitu

• rozpuszczanie się węglików

• ujednorodnienie ziarn A (po odpowiednim czasie - rys.3.)

Rys.5.Wykres przemiany perlitu w austenit w warunkach izotermicznych.

Przemianie perlitu(P) w A towarzyszy rozdrobnienie ziarna - stale drobno i gruboziarniste

Drobne ziarno stabilizują wydzielenia AlN lub Al₂0₃(Lub innych dyspersyjnych wydzieleń)

II. Przemiany zachodzące w stali przy chłodzeniu( <A₁)

Poniżej temp.A_1, A- jest fazą nietrwałą i ulega przemianie, w zależności od v_chł i temp. przechłodzenia mogą występować różne przemiany dla :

v_chł≈0 - przemiany zgodne z ukł. Fe - Fe₃C

v_chł >0 lub >>0

1. perlityczna

1. martenzytyczna

1. bainityczna

ad.1.p. perlityczna W jej wyniku z A powstaje eutektoidalna mieszanina złożona z płytek F i Fe₃C zwana perlitem (P). Na kinetykę przemiany perlitycznej ma wpływ:

- ∇F (zmiana energii swobodnej) A i P

- oraz v dyfuzji C (rys.7)→max. przemiany ok.550⁰C

Cechy charakterystyczne przemiany perlitycznej:

• dyfuzyjny

• zarodkowanie - heterogeniczne -na cząstkach Fe₃C lub F i na granicach A i ich późniejszy wzrost

• w warunkach izotermicznych jej początek jest wyraźny- przebiega do całkowitego wyczerpania się A

• ze wzrostem st. przechłodzenia A wzrasta stopień dyspersji P (maleje grubość płytek F i Fe₃C)

• płyteki P nie wykazuja związku krystalograficznego z ułożeniem A

ad.2 - p. martenzytyczna

występuje w stali kiedy ją :

• przechłodzimy (znacznie) do zakresu temperatur{ M_S - M_f }- odp.temp.

• początku i końca przemiany martenzytycznej

- chłodzimy w sposób ciągły v > v_K →(prędkość krytyczna)

W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt →przesycony roztwór C w Fe_∝ (rys.8)

Konsekwencją tego,że rozpuszczalność C w F_∝ wynosi tylko 0.008%,jest tetragonalne zniekształcenie sieci c/a = 1 - 1.08, stąd duża jego twardość ale i kruchość.

Kryształy martenzytu mają kształt płytek (lub listw), pod mikroskopem mają postać igieł.

Cechy charakterystyczne przemiany:

• bezdyfuzyjna

• duża szybkość-zbliżona do prędkości rozch. się dźwięku w stali-(1000-7000m/s)

• zachodzi w wyniku tworzenia się nowych igieł(nie zaś rozrastania się starych)

• istnieje wzajemne ukierunkowanie krystalograficzne martenzytu względem austenitu;np wg.Kudriumowa - Sachsa płaszczyzna {110}_M odpowiada {111}_A→ ścinanie sieci, efektem tego jest obecność na zgładzie metalograficznym charakterystycznego reliefu w postaci igieł M ułożonych pod kątami 60⁰ i 120⁰(wynik przecięcia płytek lub listw M z pow. zgładu)

• warunkiem dalszego przebiegu przemiany M jest ciągłe obniżanie temperatury.Po przekroczeniu temp. M_f - końca przemiany - pozostaje pewna ilość austenitu nieprzemienionego(szczątkowego,objętość właściwa M>4% od tej cechy A )

• temp. M_s i M_f są funkcją składu chemicznego a nie v chłodzenia) Rys.9.

Twardość M zależy od zawartości C -Rys10-(a nie dodatków stopowych),jego wysoka twardość jest wywołana obniżeniem symetrii sieci (c/a),wysokich naprężeń wywołanych obecnością atm. międzywęzłowych i defektów sieciowych.

ad.3.p.bainityczna. Przemiana ta ma charakter pośredni pomiędzy przemianą perlityczną (dyfuzyjną) a bezdyfuzyjną( martenzytycną),rozpoczyna się po przechłodzeniu stali do temperatur B_s i B_f -odp. początek i koniec przemiany tj.550 - 300⁰C - bainit(z uwagii na niskie temp przem.) jest mieszniną przesyconego Fe_α węglem i wydzieleń węglików(przeważnie niestechiometrycznych) o budowie iglastej-mikroskopowo.

• Tworzeni bainitu zapoczątkowywuje przemiana alotropowa A →F (charakter bezdyfuzyjny)

• Duża v_dyf C w Fe_∝ - w porównaniu do Fe_γ -powoduje wydz. węglików ,wys. temp. Fe₃C,natomiast w niskich węgliki niestechiometryczne (charakter dyfuzyjny)

1. Cechy przemiany martenzytycznej:

• charakterystyczny relief - na zgładzie metalograficznym- ścinanie sieci

• rozróżnia się bainit:

- górny,pierzasty (ferryt i grube wydzielenia węglików) HRC ∼ 45

- dolny,iglasty (ferryt i drobne wydzielenia węglików ) HRC ∼ 55

• występuje określona zależność krystalograficzna A i powstającego B

2. Cechy przemiany dyfuzyjnej

• zarodkowanie i wzrost płytek bainitu odbywa się na drodze dyfuzyjnej (w sposób ciągły)

Przemiany zachodzące w stali podczas jej odpuszczania

Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali - uprzednio zachartowanej - do temp.<A₁ i wytrzymaniu przy określonej temp.przez czas konieczny do wystąpienia przemiany.

Poniważ M posiada największą objętość właściwą - ze wszystkich struktur stali - proces odpuszczania można obserwować za pomocą dilatometru (Rys.11.)

Fenomenologię procesu odpuszczania zachartowanej stali węglowej można przedstawić w postaci IV etapów (rys.11) :

I.Etap (>80⁰C do 200⁰C) występuje wydzielanie z M węglka ε (Fe₂C - Fe₃C ).W wyniku odp. <200⁰C, otrzymuje się strukturę iglastą F- przesycony węglem(∼0.5%C) i węglików (60-65HRC).Austenit szczątkowy nie ulega przemianom.

II.Etap (200 - 300⁰C) dalsze wydzielanie z M → węglika ε (zaw.C w M <0.15%);

A_szcz → 

Struktura w tym zakresie temp. składa się z F_α (przesyconego C) oraz węglika ε (HRC 50 - 55)

III.Etap (300 - 400⁰C) całkowite wydzielenie z M →ε → Fe₃C.W tym etapie zostaje osiągnięty stan równowagii; F + Fe₃C (40 - 45 HRC)

IV.Etap >400⁰C następuje koagulacja Fe₃C proces tym intensywniejszy im wyższa temp. i czas odpuszczania

Wybrane operacje i zabiegii OC

operacja OC to część proc. technologicznego,wykonywane w sposób ciągły - częściami operacji są zabiegii OC- do najważniejszych należą : nagrzewanie, wygrzewanie oraz chłodzenie (Rys.12.)

Wyżarzanie - nagrzewanie stopu (metalu)do określonej temp.,wygrzaniu w tej temp.i chłodzenie z szybkościami pozwalającymi uzyskanie struktur zbliżonych

do stanu równowagii - Rys.13.

Wyżarzanie :homogenizujące, zupełne i niezupełne,normalizujące ,sferoidyzujące , rekrystalizujące ,odprężające, zmiękczające, stabilizujące i grafityzujące.

Hartowanie

Ze względu na rodzaj uzyskiwanej struktury hartowanie dzielimy na:

1. martenzytyczne

2. bainityczne

ad.1.nagrzanie Stali -podeutektoidalnej (<0.8%C) do temp.> o 30 - 50⁰C >Ac₃

-nadeutektoidalnej (>0.8%C) do temp > o 30 - 50⁰C >Ac_1,3

-wysokostopowe np. nadeutektoidalne (>1000⁰C )

i wygrzewaniu z następnym chłodzeniem ciągłym z V > od V_kr. (może być H zwykłe ,stopniowe lub przerywane) - Rys.15.

Rys.15.Różne rodzaje hartowania stali na wykresie CTPi: a- hartowanie

zwykłe, b - stopniowe (H-przerywane stosuje się dwa ośrodki chłodzące)

ad.2.Austenizowanie tak jak w p-kcie 1., z następnym chłodzeniem z V < od V_kr a > odV_P celem uzyskania struktury binitycznej( może być H binityczne zwykłe lub z przemianą izotermiczną ).Rys.16.

Odpuszczanie

nagrzanie stali do temp.< Ac₁,wygraniu w tej temp. i chłodzenie do temp. pokojowej

w zależności od temp. odpuszczanie może być :

• niskie - 150 -200⁰C -stos. do narzędzi , sprężyn i sprawdzianów(duża twardość i odp. na ścieranie, usunięcie naprężeń hart.)

• średnie - 250 - 500⁰C - stos. do sprężyn,resorów, matryc (nieznacznie spada twardość lecz zostaje zachowana duża wytrzymałość i sprężystość.)

• wysokie >500⁰C < Ac₁ - stosowane celem uzyskania dużej plastyczności stali.

Rys.17.Wpływ temp.odpuszczania na własności zahartowanej stali (0.4%C)

PODSUMOWANIE OC

`

Rys.18. Krzywe CTPi rozpadu austenitu przechłodzonego

OBRÓBKA CIEPLNA STALI (OC)

I PODSTAWY ZWYKŁEJ OC

Układ Fe - Fe_3­C temp. krytyczne

Wykres CPT_c

Wykres CPT_i

Przemiany przy nagrzewaniu stali,

Stale drobno i gruboziarniste.

II Przemiany przy chłodzeniu.

przemiana:

1-perlityczna

2-martenzytyczna

3-bainityczna

III Przemiany zachodzące w zahartowanej stali podczas jej

odpuszczania.

IV Wybrane zabiegi OC

-Wyżarzanie

-Hartowanie

-Odpuszczanie

V Podsumowanie

Gdzie :

Ac₁ - temp. przem. P w A

Ac₃ - temp.końca przem. F w A

(nagrzewanie)

Ar₃ - temp.początku wydzielania

się F z A itp.

Ar₁ - temp. przemiany A w P

Ponadto :

Ms - temp. początku przemiany

Martenzytycznej

M_f - temp. końca przemiany

martenzytycznej

Rys.4a -wpływ czasu na

postęp przemiany

austenitu

Rys.4b. dwie krzywe w kształcie litery -„c”oznaczają odpowiednio początek(lewa) i koniec(prawa) rozpadu izotermicznego austenitu

Rys.2. Fragment układu równowagii

Fe - C (schemat) z zaznaczonymi temperaturami krytycznymi

Rys.7.Zależność szybkości przemiany

austenitu od stop. przechłodzenia :

v - szybkość przemiany austenitu

D - szybkość dyfuzji węgla

ΔF - gradient energii swobodnej

Rys.8.Sieciowa elementarna komórka

martenzytu .

Tetragonalność c/a (1 - 1.08) = f( %C)

Rys.9.Zależność początku Ms i końca M_f

przemiany martenzytycznej od stężenia

węgla w stalach niestopowych.

Rys.10.Wpływ zawartości węgla

na twardość martenzytu

Rys.11.Krzywa dilatometryczna

nieizotermicznego

odpuszczania stali

niestopowej

Rys.12.Zmiany temperatury

podczas operacji OC

Rys.13.Zakresy

temperatur

ważniejszych

zabiegów

wyżarzania stali

Rys.14.Zakres temperatur

hartowania stali- węglowej ­­-

pod i nadeutektoidalnych

Rys.16.Schemat chłodzenia przy:

a- hartowaniu bainitycznym (izotermicznym)

b- patentowaniu

---