MECHATRONIKA II	LABORATORIUM Z METALOZNAWSTWA I MATERIAŁÓW KONSTRUKCYJNYCH	26.11.2011
	Struktury stali po obróbce cieplnej.

1. CZĘŚĆ TEORETYCZNA

Obróbka cieplna zwykła jest to rodzaj obróbki cieplnej, w wyniku której uzyskuje się zmiany własności metali i stopów będące głównie funkcją temperatury i czasu.Aby do danego stopu można było stosować poszczególne rodzaje obróbki cieplnej, np. operacje hartowania i odpuszczania lub przesycania i starzenia, powinny się w nim dokonywać przemiany fazowe, tj. np. podczas nagrzewania stopu powinne zachodzić przemiany alotropowe lub powinna występować wyraźna zmiana rozpuszczalności pewnych jego składników. Na podstawie wykresu równowagi fazowej danego układu można ustalić jak; rodzaj obróbki cieplnej można zastosować do danego stopu i w jakich zakresach temperatury należy tę obróbkę przeprowadzić. W związku z tym proces obróbki cieplnej stali należy rozpatrywać, korzystając wykresu równowagi fazowej układu żelazo-cementyt.

Temperatury krytyczne dla stali oznacza się literą A z indeksem cyfrowym:

A0 - temperatura przemiany magnetycznej cementytu (210°C),

A1 - temperatura przemiany eutektoidalnej (727°C . linia PSK),

A2 - temperatura przemiany magnetycznej ¿elaza a i ferrytu (770°C . linia MO),

A3 - temperatura równowagi austenitu z ferrytem (linia GOS),

A4 - temperatura równowagi austenitu z ferrytem (linia NJ),

Acm - temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym (linia SE).

Aby odróżnić temperatury początku i końca przemian podczas nagrzewania od tychże temperatur podczas chłodzenia dodaje się do litery A wskaźnik c w przypadku nagrzewania lub wskaźnik r w przypadku chłodzenia (np. Ac1, Ar3).

W procesach obróbki cieplnej stali występują następujące podstawowe przemiany:

I. Przemiana ferrytu w austenit

Feα(C) → Feγ(C)

II. Przemiana austenitu w ferryt

Fe γ(C) → Feα(C)

III. Przemiana perlitu w austenit

(Feα(C) + Fe3C) → Feγ(C)

IV. Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne)

Feγ(C) → Feα(C) + Fe3C

V. Przemiana austenitu w martenzyt

Feγ(C) → Fe’α(C)

VI. Przemiana martenzytu w mieszaninę ferrytu i cementytu

Fe’α(C) → Feα(C) + Fe3C

Hartowanie polega na nagrzaniu stali do temperatur występowania austenitu, wygrzaniu jej, czyli austenityzowaniu, a następnie szybkim ochłodzeniu, w celu uzyskania struktury martenzytycznej lub bainitycznej. Nagrzewanie stali do temperatur występowania austenitu, stosowane w większości operacji hartowania, przebiega z niewielką szybkością, podobnie jak przy zabiegach wyżarzania.

Wygrzewanie stali, nazwane austenityzowaniem, przeprowadzane w temperaturze 30—50°C powyżej Ac3 dla stali podeutektoidalnych, bądź 30 — 50°C powyżej Ac1 dla stali nadeutektoidalnych, ma na celu uzyskanie struktury austenitu lub austenitu z cementytem wtórnym w stalach nadeutektoidalnych.

Szybkości chłodzenia w operacjach hartowania są duże, co powoduje wystąpienie w stali przemiany martenzytycznej lub bainitycznej. Produkty tych przemian: martenzyt lub bainit są nierównowagowe,

niezgodne z opisem wykresu Fe —Fe3C.

Analiza przemian zachodzących w stali chłodzonej z temperatury austenityzowania z różnymi szybkościami jest możliwa na podstawie specjalnie w tym celu opracowanych wykresów, zwanych wykresami CTP (czas – temperatura - przemiana).

Istnieją dwa rodzaje wykresów: CTPi oraz CTPc. Wykres CTPi (izotermiczny) przedstawia przemiany zachodzące w danym gatunku stali w czasie chłodzenia izotermicznego (z przystankiem temperaturowym) z temperatury austenityzowania, z różnymi stopniami przechłodzenia. Wykres CTPc ( anizotermiczny) obrazuje przemiany zachodzące w danym gatunku stali podczas chłodzenia ciągłego ( bez przystanków i załamań) z temperatury austenityzowania, z różnymi szybkościami.

Każdy gatunek stali ma jeden wykres CTPi i jeden wykres CTPc. Na podstawie wykresów CTP można określić, jakie przemiany następują w danym gatunku stali podczas chłodzenia izotermicznego z danym stopniem przechłodzenia (wykres CTPi) lub w warunkach chłodzenia ciągłego z daną szybkością (wykres CTPc) oraz w jakim zakresie temperatur będą przebiegać i po jakim czasie się rozpoczną i zakończą.

Wykresy CTP obejmują następujące przemiany: austenitu w perlit, austenitu w bainit i austenitu w martenzyt oraz wydzielanie ferrytu z austenitu (w stalach podeutektoidalnych) i cementytu wtórnego z austenitu (w stalach nadeutektoidalnych).

Wykresy CTP służą do analizy i planowania operacji obróbki cieplnej, w których występuje chłodzenie ciągłe lub izotermiczne austenityzowanych stali.

Przemiana martenzytyczna jest to przemiana (fazowa) austenitu przechodzonego w martenzyt, polegająca na bezdyfuzyjnej przebudowie regularnej, ściennie centrowanej sieci austenitu na tetragonalną przestrzennie centrowaną sieć martenzytu. Przemiana ta zachodzi w zakresie temperatur, w którym dyfuzja atomów żelaza i węgla jest zamrożona. Oznacza to, że przesunięcia atomów są rzędu ułamka odległości międzyatomowej i wszystkie atomy zachowują swoich sąsiadów. Wynika z tego również, że martenzyt zawiera tyle samo węgla, co austenit, a więc znacznie więcej, niż może się rozpuścić w ferrycie (maksymalna zawartość węgla w ferrycie wynosi 0,022%).

Wykres CTPc dla stali C35E

Komórka elementarna martenzytu jest prostopadłościanem o podstawie kwadratu o boku a i wysokości c, gdzie c jest większe od a. Stosunek c/a nazywa się stopniem tetragonalności martenzytu i jest zależny od zawartości węgla w martenzycie. Stopień tetragonalności nieznacznie odbiega od jedności, komórkę martenzytu można więc uznać za komórkę Feα, zawierającą znacznie więcej węgla niż ferryt w stanie równowagi. Dlatego definiuje się martenzyt jako przesycony roztwór stały węgla w Feα. Atomy węgla zajmują zwykle położenia w środkach dłuższych krawędzi komórki martenzytu,

zniekształcając sieć krystaliczną Feα. Efektem zniekształcenia sieci są naprężenia powodujące bardzo dużą twardość i wytrzymałość martenzytu. Im więcej jest węgla w martenzycie, tym większe zniekształcenie sieci i większa twardość (rys, 7.6, krzywa a). W zahartowanych stalach podeutektoidalnych zawartość węgla w martenzycie jest równa zawartoaści węgla w stali, zaś w stalach nadeutektoidalnych zawartość węgla w martenzycie zależy od temperatury austenityzowania.

Mechanizm powstawania pojedynczej płytki polega na utworzeniu zarodka martenzytu w pewnym miejscu ziarna austenitu, zarodek ten rozrasta się tworząc zaczątek płytki. Następnie płytka rośnie z bardzo dużą szybkością, równą szybkości rozchodzenia się dźwięku w austenicie, wynoszącą 1 km/s.

Front rosnącej płytki przesuwa się bezdyfuzyjnie. Budowa nowej sieci krystalicznej odbywa się przez kolejne skoordynowane przesunięcia atomów żelaza i węgla o ułamek odległości międzyatomowej na froncie płytki. Każdy atom, przy tym, zachowuje swego sąsiada. Wzrost płytki ustaje po zderzeniu się jej frontu z jakąś przeszkodą, granicą ziarna lub wytworzoną już płytką.

Schemat przebiegu przemiany martenzytycznej w jednym ziarnie austenitu. W miarę obniżania temperatury powstają nowe płytki martenzytu w przestrzeniach pomiędzy już istniejącymi płytkami. Płytki nie przecinają granicy ziarna ani siebie nawzajem.

Najważniejsze cechy przemiany martenzytycznej:

1. Przemiana martenzytyczna jest bezdyfuzyjna.

2. Zachodzi tylko w zakresie temperatur od M_s do M_f.

3. Zachodzi tylko przy obniżaniu temperatury.

4. Sieci krystaliczne martenzytu i austenitu są zorientowane względem siebie pod określonym kątem.

5. Martenzyt w stalach średnio i wysoko węglowych ma postać płytek.

6. Wzrost każdej płytki przebiega „wybuchowo" - z szybkością rozchodzenia się dźwięku w stali.

7. Płytki nie mogą przecinać granic ziarn austenitu ani innych płytek.

8. Naprężenia rozciągające oraz odkształcenie plastyczne ułatwiają przemianę martenzytyczną.

Przemiany podczas nagrzewania stali zahartowanej na martenzyt

Wyróżnia się cztery stadia przemian w stalach średnio i wysokowęglowych w czasie nagrzewania. Do temperatury około 80°C martenzyt nie ulega zmianom:

I stadium, 80° - 200°C

W martenzycie zaczynają się przemieszczać na bardzo małe odległości atomy węgla, tworząc zgrupowania na pewnych płaszczyznach, a następnie wydzielenia bardzo cienkich płytek metastabilnego węglika żelaza ε. Posiada on większą zawartość węgla niż cementyt, a odpowiada mu wzór Fe2C do Fe2.4C. Martenzyt staje się roztworem niejednorodnym - w najbliższym otoczeniu węglika zawartość węgla, stopień tetragonalności martenzytu i związane z nim naprężenia sieci zmniejszają się, w pozostałych obszarach wartości te są niezmienione. Mikrostruktura stali obserwowana w mikroskopie świetlnym pozostaje taka sama jak po zahartowaniu, wydzielenia węglików są bowiem niewidoczne.

II stadium 200°-300°C

Postępuje proces wydzielania z martenzytu węglika i wzrost jego cząstek tak, że w roztworze pozostaje pod koniec tego stadium około 0,2% C. Zanika tetragonalność martenzytu, czemu towarzyszy zmniejszenie naprężeń ściskających działających na austenit szczątkowy. Dzięki temu austenit szczątkowy przemienia się w martenzyt regularny. Wynikiem zachodzących przemian w nagrzewanej stali do temperatury 300°C jest struktura złożona z częściowo przesyconego węglem roztworu żelaza α i podmikroskopowych wydzieleń węglika ε, zwana martenzytem odpuszczonym. Obraz mikroskopowy martenzytu odpuszczonego jest bardzo podobny do martenzytu iglastego, różnica polega na tym, że igły są jaśniejsze (mniejsza zawartość węgla w roztworze), a tło jest ciemniejsze wskutek przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt regularny.

III stadium, 260°-400°C

Nakłada się ono częściowo na stadium II. Polega na wydzielaniu pozostałego nadmiaru węgla z ferrytu. Jednocześnie zanika węglik ε, a powstaje Fe3C przez przekształcanie węglika bądź bezpośrednie zarodkowanie z ferrytu. Powstałe zarodki cementytu rosną kosztem węgla zawartego jeszcze w ferrycie i rozpuszczanych cząstek węglika ε. W wyniku tych procesów ostatecznie zanika przesycenie roztworu stałego, który w temp. 400°C uzyskuje równowagową zawartość węgla. Zanikają więc też naprężenia własne w sieci krystalicznej. Martenzyt ulega w ten sposób przekształceniu w mieszaninę ferrytu bez przesycenia i bardzo drobnego cementytu. Obraz mikroskopowy to struktura iglasta ze słabiej zaznaczonymi konturami niż bezpośrednio po hartowaniu.

IV stadium, 400° - A c 1

Zachodzi proces koagulacji cementytu oraz rekrystalizacja ferrytu. Koagulacja jest to proces dyfuzyjnego wzrostu większych cząstek kosztem mniejszych. Powyżej 600°C wydzielenia cementytu osiągają już wielkość mikroskopową. Drugim procesem przebiegającym w tym stadium odpuszczania jest rekrystalizacja ferrytu. Zgniot fazowy ferrrytu jest następstwem przemiany fazowej austenitu w martenzyt, która przebiega poniżej temperatury rekrystalizacji. Zgniot ten utrzymuje się do temperatury 400°C, głównie z powodu małej ruchliwości atomów żelaza. Strukturę istniejącą w całym zakresie temperaturowym IV stadium nazywamy sorbitem. Jest to mieszanina dwufazowa składająca się z bardzo drobnych zaokrąglonych cząstek Fe3C w osnowie ferrytu. W mikroskopie obserwuje się postrzępione zarysy budowy iglastej utrwalonej przez wydzielenia cząstek Fe3C w tzw. układzie pomartenzytycznym.

Odpuszczanie jest to operacja obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu i wygrzaniu zahartowanej stali w temperaturze poniżej Ac1 oraz powolnym studzeniu, zwykle na powietrzu. Celem odpuszczania jest uzyskanie optymalnego zespołu właściwości odpuszczanego przedmiotu - narzędzia lub części maszyny. Wybór temperatury odpuszczania zależy od wymaganych właściwości stali. Zależnie od

temperatury wyróżnia się trzy rodzaje odpuszczania: niskie (150° — 250°C), średnie (250° - 500°C) i wysokie (500° - Ac1).

Celem odpuszczania jest uzyskanie optymalnego zespołu właściwości odpuszczanego przedmiotu - narzędzia lub części maszyny. Wybór temperatury odpuszczania zależy od wymaganych właściwości stali. Zależnie od temperatury wyróżnia się trzy rodzaje odpuszczania: niskie (150° — 250°C), średnie (250° - 500°C) i wysokie (500° - Ac1).

Rodzaj odpuszczania	Cel
niskie	Zmniejszenie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu jak najwyższej twardości i odporności na ścieranie.
średnie	Uzyskanie jak najwyższej granicy sprężystości Rsp oraz wytrzymałości na rozciąganie Rm przy zadowalającej plastyczności: (A5, U).
wysokie	Uzyskanie optymalnego zespołu właściwości; wysokiej wytrzymałości Rm, Re, wysokiej plastyczności (A5, U) i wytrzymałości zmęczeniowej.