Zagadnienia:
- struktury w stalach w zależności od zawartości węgla w temp. otoczenia
- struktury i fazy np. 0,4% węgla
- przemiany: perlityczna, bainityczna, martenzytyczna
- wykresy CTP (do czego służą, co zawierają)
- obróbka cieplna
- nagrzewanie, oziębianie (szybkie), studzenie (wolne), wygrzewanie
- hartowanie (objętościowe, powierzchniowe [cel, co jest przyczyną zmiany struktury], martenzytyczne, stopniowe, bainityczne, zwykłe)
- odpuszczanie (niskie, średnie, wysokie; wydzielanie nadmiaru węgla z martenzytu- do czego się stosuje)
- ulepszenie, utwardzanie cieplne
- starzenie i przesycanie
- wyżarzanie
- pojęcia: hartowność, utwardzalność, szybkość krytyczna chłodzenia, średnica krytyczna D₅₀, stal drobnoziarnista i gruboziarnista, austenit szczątkowy (m_s, m_f), pasma hartowności

Struktury w stalach w zależności od zawartości węgla:
Struktury jednofazowe- mają metale techniczne, stopy dwu- i wieloskładnikowe o budowie roztworów stałych. Podstawowymi cechami struktur jednofazowych są: struktura krystaliczna (w tym stała sieciowa), wielkość ziarna, skład chemiczny materiału (faza)
Na obrazie mikroskopowym ziarna mogą różnić się zabarwieniem (anizotropia pojedynczych ziaren)
Struktury dwufazowe- mają stopy metali o budowie mieszanin składników lub roztworów stałych. Najważniejszymi cechami są: struktura chemiczna i skład chemiczny obu faz, udział objętościowy obu faz, kształt i sposób rozmieszczenia ziaren obu faz. Struktura dwufazowa składa się w stanie równowagi z ziaren dwóch rodzajów.


Struktura ziarnista- składa się z równoosiowych ziaren obu faz w przybliżeniu jednakowej wielkości rozmieszczonych w sposób statycznie nieuporządkowany.




Struktura płytkowa- składa się z przypadkowo zorientowanych pęków (kolonii) na przemian ułożonych płytek jednej i drugiej fazy. Strukturą taką odznaczają się stopy o składzie mieszanin eutektycznych lub eutektoidalnych. W warunkach izotermicznych grubości każdego rodzaju płytek są praktycznie jednakowe. Przykładem jest mieszanina eutektoidalna ferrytu i cementytu w stopach żelaza- perlit.

Struktura kulkowa- składa się w przybliżeniu z jednakowej wielkości kulistych wydzieleń jednej fazy, rozmieszczonej równomiernie w ziarnistej osnowie drugiej. Przykładem jest cementyt kulkowy w stalach średnio i wysokowęglowych. Otrzymuje się ją przez długotrwałe wygrzewanie stopu o strukturze płytkowej, jak to jest w przypadku perlitu. Przy jednakowym składzie stop o strukturze płytkowej odznacza się większą wytrzymałością i twardością, a kulkowej- większą plastycznością.

Struktura iglasta- składa się z mniej lub więcej wyraźnych igieł jednej fazy rozmieszczonych w ziarnistej osnowie drugiej fazy. Przykładem jest nadeutektyczny stop Al- Si. Struktura iglasta zwykle twarda i krucha jest niepożądana.

Struktura dyspersyjna- składa się z bardzo drobnych praktycznie kulistych wydzieleń jednej fazy, równomiernie rozłożonych w osnowie ziaren drugiej fazy (roztworu stałego). Powstaje w wyniku wydzielania się fazy przesycającej z roztworu stałego. Struktura ta poprzez blokowanie dyslokacji działa umacniająco, powiększając wyraźnie wytrzymałość i twardość kosztem pewnego zmniejszenia ciągliwości stopu.

0 0,008 0,02 0,8 2,0 4,3 6,67%

Powyżej 2% zawsze występuje ledeburyt.

Przemiany perlityczna, bainityczna, martenzytyczna.
Przemiana dyfuzyjna- wolne grzanie, wolne chłodzenie.
Przemiana bezdyfuzyjna- przemiana szybka, martenzytyczna.

Przemiana perlityczna- przebiega poprzez zarodkowanie i wzrost nowej fazy. Rozpoczyna ją pojawienie się w austenicie zarodków krystalizacji cementytu. Uprzywilejowanym miejscem zarodkowania są granice ziaren i nierozpuszczone drobne cząstki cementytu lub innych faz. Zarodek cementytu rozrasta się dzięki dyfundującym do niego atomom węgla. Austenit w jego otoczeniu ubożeje w węgiel i podlega przemianie alotropowej γ α tworząc ferryt, z którego nadmiar węgla dyfunduje do otaczającego austenitu co powoduje tworzenie się nowych zarodków cementytu. W rezultacie z ziarna austenitu powstaje kilka różnie zorientowanych zbiorów równoległych płytek ferrytu i cementytu tworzących ziarno perlitu. Przemiana ustaje po całkowitym wyczerpaniu się austenitu. Produktem przemiany perlitycznej jest płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu.

Przemiana bainityczna- przebiega przez stadium zarodkowania heterogenicznego i wzrostu, a fazą kierującą jest ferryt. Duże przechłodzenie ogranicza szybkość dyfuzji w stopniu wpływającym na przebieg przemiany. Uprzywilejowanym miejscem zarodkowania ferrytu są granice ziaren austenitu. W wyniku przemiany alotropowej γ α tworzą się cienkie płytki ferrytu znacznie przesycone węglem. Dzięki dyfuzji węgla w otoczeniu płytek ferrytu tworzą się wydzielenia cementytu o kształcie płytek lub kulek. W miarę postępu przemiany płytki ferrytu rosną i powiększa się ilość wydzielonego cementytu. Przemiana bainityczna zwłaszcza w niższych temperaturach nie przebiega całkowicie. Nieznaczna ilość przechłodzonego austenitu pozostaje na stałe w strukturze stali jako austenit szczątkowy. Produktem przemiany jest struktura w zasadzie płytkowa, stanowiąca mieszaninę częściowo przesyconego węglem ferrytu i cementytu. Jej wygląd i twardość zmieniają się zależnie od temperatury przemiany. Przy mniejszych przechłodzeniach powstaje bainit górny czyli pierzasty o wyglądzie ciemnych pierzastych igieł. Bainit górny jest większy, węgliki występują na granicach ziaren, powstaje w wyższych temperaturach. Przy większych przechłodzeniach powstaje bainit dolny iglasty o wyglądzie nieco jaśniejszych, ostro zarysowanych igieł. Przemiana ma charakter przejściowy jest dyfuzyjna, ale ma również pewne cechy przemiany martenzytycznej.

Przemiana martenzytyczna- warunkiem wywołującym przemianę jest chłodzenie stali z szybkością większą od krytycznej. Przemiana austenitu w martenzyt zachodzi poniżej określonej dla danej stali temperatury, oznaczonej zwykle symbolem Ms (rys. 5.9, 5.10). Temperatura końca przemiany martenzytycznej oznaczona jest przez Mf. W przypadku stali węglowych temperatury Ms i, Mf obniżają się wraz ze wzrostem zawartości węgla i składników stopowych, tak że przy większej ich zawartości temperatura Mf może być niższa od 0°C (rys. 5.13) i wobec tego przemiana martenzytyczna zachodzi tylko częściowo. W takim przypadku w strukturze pozostaje pewna ilość tzw. austenitu szczątkowego. Ze względu na niską temperaturę procesu przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną. W jej wyniku następuje przebudowa sieci sześciennej zwartej (regularnej ściennie centrowanej) austenitu na sieć sześcienną centrowaną (regularną przestrzennie centrowaną) żelaza alfa bez dyfuzji umożliwiającej wydzielanie węgla. Martenzyt w stalach węglowych jest więc przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie alfa. Wtrącony międzyatomowo węgiel zniekształca strukturę żelaza alfa, tak, że po przemianie martenzyt ma sieć tetragonalną.
Martenzyt ma strukturę iglastą (składa się z płytek przesyconego węglem ferrytu).

Porównanie przemian:
- perlit drobny jest mieszaniną płytkową ferrytu i cementytu o różnym stopniu dyspersji
- bainit jest mieszaniną w zasadzie płytkową ferrytu częściowo przesyconego węglem i cementytu o dużym stopniu dyspersji
- martenzyt jest międzywęzłowym przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie α.

Wykresy CTP
Przebieg procesu przemiany przechłodzonego austenitu wygodnie jest rozpatrywać na

podstawie wykresów rozpadu austenitu, zwanych wykresami CTP (czas, temperatura,

przemiana). Na wykresach tych naniesione są linie początku i końca przemian we

współrzędnych logarytm czasu-temperatura, przy czym rozróżnia się wykresy dla przemian

austenitu w warunkach izotermicznych oznaczane CTPi oraz wykresy przemian austenitu w

warunkach chłodzenia ciągłego, oznaczane CTPc. Pokazują nam one jaką strukturę otrzymamy w zależności od szybkości chłodzenia. Na wykresach CTP należy podawać obok składu stali, wielkość ziarna i temperaturę austenityzacji, ponieważ w pewnym stopniu oddziaływają na przemiany: drobnoziarnisty austenit i niecałkowicie rozpuszczone wydzielenia cementytu ułatwiają zarodkowanie heterogeniczne, czyli przyspieszają przemiany dyfuzyjne oraz podwyższają temperaturę M_s. Zalety wykresu CTP: różne szybkości chłodzenia- jeden skład, układ równowagi.

Obróbka cieplna
Odpowiednimi zmianami szybkości chłodzenia możemy zmieniać strukturę i właściwości stopów. Obróbce mogą być poddawane stopy, w których zabiegi cieplne wywołują w stanie stałym: zmianę rozpuszczalności składników, przemianę eutektoidalną lub alotropową.

Nagrzewanie, wygrzewanie, oziębianie, studzenie
Nagrzewanie jest ciągłym lub stopniowym podwyższaniem temperatury elementu obrabianego cieplnie.
Wygrzewanie polega na wytrzymaniu elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze.
Chłodzenie to ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu. Chłodzenie z małą szybkością jest nazywane studzeniem, natomiast z szybkością dużą – oziębianiem. Wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w pośredniej lub docelowej temperaturze podczas chłodzenia jest nazywane wychładzaniem.

Hartowanie (objętościowe, powierzchniowe, martenzytyczne, stopniowe, bainityczne, zwykłe)
Hartowanie polega na nagrzewaniu przedmiotu do temperatury, w której następuje wytworzenie struktury austenitu i następnie szybkim chłodzeniu w wodzie lub oleju w celu otrzymania struktury martenzytycznej o dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie, powodującej jednak znaczną kruchość i naprężenia własne (właśnie dla zmniejszenia nadmiernej kruchości i usunięcia naprężeń własnych po hartowaniu stosuje się odpuszczanie).
Hartowanie objętościowe stosujemy gdy austenityzowanie obejmuje całą objętość obrabianego cieplnie przedmiotu, a grubość warstwy zahartowanej zależy wyłącznie od własności materiału i szybkości chłodzenia.
a) martenzytyczne
- zwykłe
- stopniowe
b) bainityczne
Hartowanie zwykłe polega na hartowaniu z ciągłym (nie przerywanym) oziębianiu z szybkością większą od krytycznej w środowisku o temperaturze niższej od temperatury początku przemiany martenzytycznej.
Hartowanie stopniowe to hartowanie z pierwszym stopniem oziębienia w kąpieli solnej o temperaturze nieco wyższej od M_s, w ciągu czasu niezbędnego do oziębienia całego przekroju przedmiotu do temperatury kąpieli i z drugim stopniem oziębiania w powietrzu. Czas przetrzymywania w kąpieli solnej nie może być dłuższy niż wynosi czas trwałości austenitu w tej temperaturze. Stosowane w obróbce cieplnej przedmiotów o małych przedmiotach i skomplikowanym kształcie.
Hartowanie bainityczne zwykłe charakteryzuje się chłodzeniem ciągłym z szybkością

mniejszą od krytycznej – taką, by mogła przebiegać przemiana bainityczna.

Celem operacji jest uzyskanie struktury bainitu, ewentualnie z martenzytem, oraz

austenitu szczątkowego. W ten sposób uzyskuje się większe własności plastyczne

i większą udarność stali niż po hartowaniu martenzytycznym i wysokim odpuszczaniu.

Większa jest również odporność stali na zmęczenie, niższa jednak granica

sprężystości i plastyczności.
Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy powierzchniowej przedmiotu do temperatury powyżej temperatury austenityzacji i oziębieniu z dużą szybkością niezbędną do uzyskania struktury martenzytycznej w tej warstwie. Celem tego hartowania jest nadanie powierzchniowej warstwie wysokiej twardości i odporności na ścieranie przy zachowaniu ciągliwego rdzenia.
- Następuje szybkie dostarczenie energii, szybkie grzanie. Grzejemy, a jednocześnie za nim chłodzimy. Wielkość faz zależy od: szybkości grzania (większy gradient- węższe strefy), zawartości węgla w stali (im więcej węgla, mniejsze odległości). Przed oziębieniem wszędzie występuje martenzyt. Szybkość chłodzenia zależy od odległości od powierzchni. By materiał był trwały zawartość martenzytu musi zawierać powyżej 50%.


Odpuszczanie (niskie, średnie, wysokie)
Wydzielenie węglików z martenzytu- przemiana dyfuzyjna. Musimy stworzyć odpowiednie warunki dla jej przeprowadzenia, zależne od czasu i temperatury. Odpuszczanie należy przeprowadzić bezpośrednio po hartowaniu, a im dłuższa przerwa tym gorsze efekty odpuszczania.
Odpuszczanie niskie występuje w zakresie temperatur od <250˚C. Celem odpuszczania niskiego jest usunięcie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu dużej twardość i odporności na ścieranie. Stosuje się głównie do stali narzędziowych, a także do np. sprężyn z drutu fortepianowego.
Odpuszczanie średnie występuje w zakresie temperatur od 250˚C do 500˚C w celu uzyskania przez stal dużej wytrzymałości i sprężystości przy dość dobrej ciągliwości. Odpuszczaniu średniemu poddaje się narzędzia pracujące udarowo (np. matryce kuzienne), sprężyny i resory, części silników samochodowych.
Odpuszczanie wysokie przeprowadza się w zakresie temperatur od 500˚C poniżej temperatury A₁ (727˚C). Celem jest uzyskanie możliwie najwyższej udarności dla danej stali. Odpuszczanie wysokie zapewnia strukturę sorbityczną o małej dyspersji i w związku z tym dobrą wytrzymałość i twardość przy dużej ciągliwości i udarności. Poddaje się mu części maszyn podlegające zmiennym obciążeniom, a zwłaszcza narażone na uderzenia np. koła zębate, wały korbowe.
Każdy zakres temperaturowy odpuszczania doprowadza do dokładnego usunięcia naprężeń hartowniczych.

Ulepszanie i utwardzanie cieplne
Ulepszanie cieplne stosuje się w celu polepszenia wytrzymałości i twardości, przy jednoczesnym uzyskaniu dobrej ciągliwości i udarności. Polega na hartowaniu i odpuszczaniu (wysokiemu) w odpowiednio wysokiej temperaturze, w wyniku czego powstaje struktura sorbityczna. Ulepszona stal jest bardziej wartościowa, aniżeli nieulepszona.
Utwardzanie cieplne polega na hartowaniu i niskim odpuszczaniu.

Starzenie i przesycanie
Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury wyższej o ok. 30-50˚C od granicznej rozpuszczalności w celu rozpuszczenia wydzielanego składnika w roztworze stałym, wygrzaniu w tej temperaturze, a następnie szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycania stop uzyskuje strukturę jednofazową. Dzięki przesycaniu zwiększają się własności plastyczne stali, własności wytrzymałościowe ulegają niewielkiemu zmniejszeniu.
Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. W czasie starzenia następuje wydzielanie w przesyconym roztworze stałym składnika znajdującego się w nadmiarze w postaci faz o wysokiej dyspersji. Starzenie powoduje umocnienie, zwiększenie się własności wytrzymałościowych i zmniejszenie się własności plastycznych.

Wyżarzanie ujednorodniające, normalizujące i zupełne ( z przemianą alotropową)
Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi.
Wyżarzanie ujednorodniające polega na nagrzaniu stali 1050- 1200˚C o ok. 100-200˚C niższej od temperatury solidusu, długotrwałym wygrzaniu w tym zakresie temperatury i następnym studzeniu. Celem jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego.
Wyżarzanie normalizujące polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50˚C wyższej od A₁, wygrzaniu w tej temperaturze następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja na ma celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali; następuje nieznaczny wzrost wytrzymałości. Stosowana do niestopowych stali konstrukcyjnych i staliwa w celu ujednolicenia struktury.
Wyżarzanie zupełne stosowane do stali stopowych polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30-50˚C wyższej od A₁ wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu np. z piecem. Dalsze chłodzenie może odbywać się w powietrzu.

Pojęcia
Hartowność- podatność stali na hartowanie, jest wyrażona zależnością przyrostu twardości w wyniku hartowania od warunków austenityzowania i szybkości chłodzenia. O hartowności współdecydują: utwardzalność i przehartowalność.
Utwardzalność- podatność stali na hartowanie, miarą której jest zależność największej- możliwej do uzyskania po hartowaniu- twardości od warunków austenityzowania. Jest uzależniona od warunków austenityzowania oraz stężenia węgla w austenicie
Przehartowalność- podatność stali na hartowanie jako zależność przyrostu twardości w wyniku hartowania od szybkości chłodzenia. Na przehartowalność w sposób znaczący wpływają: stężenie węgla i pierwiastków stopowych w roztworze stałym podczas austenityzowania, stopień jednorodności austenitu oraz wielkości jego ziaren.
Średnica krytyczna D₅₀- miara przehartowalności; średnica pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o określonej intensywności chłodzenia w osi przekroju poprzecznego obrabianego elementu uzyskuje się strukturę złożoną z co najmniej n % martenzytu (n odpowiada udziałowi martenzytu w strukturze w %). Średnica D₅₀ jest nazywana średnicą półmartenzytyczną.
Pasma hartowności- obszar między maksymalnymi a minimalnymi wartościami twardości w stali.
Stale drobno- i gruboziarniste- Przemiana perlitu w austenit jest związana z rozdrobnieniem ziaren. Średnia wielkość ziaren nowo utworzonego austenitu jest mniejsza od wielkości ziaren perlitu, z którego powstała faza γ. Zwiększenie temperatury lub czasu wygrzewania

powoduje z reguły rozrost ziaren austenitu w stalach gruboziarnistych. W niektórych stalach, przede wszystkim uspokojonych aluminium, traktowanych jako drobnoziarniste, wielkość ziarna zwiększa się w tych warunkach nieznacznie. W przypadku chłodzenia austenitu praktycznie nie obserwuje się w nich rozdrobnienia ziaren. W warunkach powolnego chłodzenia wielkość nowo utworzonego ziarna perlitu jest zbliżona do wielkości pierwotnego ziarna austenitu.
Stale drobnoziarniste- stale o małej skłonności do rozrostu ziaren

Stale grubnoziarniste- stale o dużej skłonności do rozrostu ziaren; rozrost ziaren następuje po zakończeniu przemiany austenitycznej
Austenit szczątkowy- jest fazą niepożądaną w stali zahartowanej gdyż obniża jej właściwości wytrzymałościowe. Wielkość jego udziału zależy od zawartości węgla w austenicie to znaczy im więcej roztwór zawiera węgla tym więcej pozostaje austenitu szczątkowego w mikrostrukturze. Jest to austenit, który nie uległ przemianie w martenzyt w trakcie oziębiania stali austenitycznej, nagrzanej uprzednio do temperatury austenityzowania.
Krytyczna szybkość chłodzenia- charakterystyczna dla stali; jest to szybkość chłodzenia podczas której uzyskuje się całkowicie martenzytyczną strukturę. Przy niższej szybkości krytycznej uzyskuje się wyższą hartowność
Sorbit- składnik strukturalny stali, mieszanina ferrytu i cementytu o dyspersji zmniejszającej się wraz ze wzrostem temp. Posiada wysokie parametry wytrzymałościowe i plastyczne. Otrzymywany jest przez hartowanie i odpuszczanie w wysokiej lub średniej temperaturze.