Przemiana przy chłodzeniu stali

Dyfuzyjna przemiana austenitu- zwana jest drugą przemianą podstawową. Po chłodzeniu austenitu poniżej Ar1, powstaje różnica energii swobodniej która jest siła napędową tej przezmiany. W zależności od zakresu temperatur w których ona występuje ma różny przebieg, występuja tez różnice morfologiczne powstającej struktury. W zakresie powyżej temperatury maksymalnego zarodkowania istnieje zakres przemiany perlitycznej, poniżej- zakres przemiany bainitycznej. Temperatura graniczna oddzielająca te zakresy odpowiada przechłodzeniu ok. 200ºC poniżej A1.

Najłatwiej można zrozumieć istote przemiany dyfuzyjnej austenitu, rozpatrując ja w warunkach izotermicznych. Załóżmy że cienką próbkę ze stali eutektoidalnej poddajemy austenityzowaniu, a następnie zanurzamy ja w kąpieli chłodzącej o stałej temperaturze- poniżej A1, ale w zakresie perlitycznym. Podobny charakter ma przemiana austenitu w zakresie bainitycznym . Cecha przemiany bainitycznej jest to że zachodzi ona do końca, tzn. do całkowitego wyczerpania austenitu.

Każda stal ma charakterystyczny dla niej wykres CTPi, wazny w obróbce cieplnej, gdyż na jego podstawie można przewidywać skłonność austenitu do przemiany dyfuzyjnej i konieczna szybkość chłodzenia do jej zahartowania, jak również strukturę, jaka powstanie po przemianie w określonej temperaturze. Wykresy CTPi można sporządzić różnymi metodami. Najprostsze są metody:metalograficzna i twardości. Wykresy CTPi są rzeczywistym odbiciem przemian zachodzących w stalach przy chłodzeniu ciągłym, dlatego że okres przebywania austenitu w niższej temperaturze nie jest równoważny jego okresowi przebywania w wyższej temperaturze. Ponieważ jednak wiele istotnych procesów obróbki cieplej jest związane z chłodzeniem ciągłym stali, zaczęto opracowywać również wykresy CTPc. Wykresy takie sporządza się najczęściej metodą dylatometryczną stosując odpowiednio zaprogramowane różne przebiegi chłodzenia. Wykresy CTPc opracowano dla najczęściej stosowanych stali i zamieszczono w kartach materiałowych i poradnikach obróbki cieplnej poradnikach obróbki cieplnej.

Rys. Wykres CTPi stali 45

Rys.Wykrec CTPc stali 45

Przemiana perlityczna- jest dyfuzyjna, co oznacza że do jej rozpoczęcia i przebiegu konieczne jest przegrupowanie atomów węgla i żelaza drogą dyfuzji. Po chłodzeniu austenitu poniżej temperatury Ar1 zaczynają powstawać zarodki perlitu na drodze heterogenicznej. Zarodkami mogą być nie rozpuszczane całkowicie cząstki cementytu lub drobne wydzielenia ferrytu, które powstają na granicach ziarn austenitu. Prędkość przemiany perlitycznej zależy od szybkości zarodkowania koloni perlitycznej. W warunkach izotermicznych szybkość wzrostu kolonii perlitu jest stała i również odległości między płytkami są stałe- nie zależą od struktury austenitu. W miarę obniżania temperatury, odległości między płytkami w perlicie zmniejszają się, co z jednej strony jest spowodowane obniżeniem szybkości dyfuzji a z drugiej większym zasobem energii swobodnej przy zwiększonym przechłodzeniu. Pozwala to na utworzenie granicy międzyfazowych o większej powierzchni.

Przemiana bainityczna- zachodzi w stalach węglowych poniżej temperatury najmiejszej trwałości austenitu. Jest również nazywana przemianą pośrednią. Przyjmuje się że zaczyna się od utworzenia zarodków ferrytu, które powstają na granicach ziarn austenitu wskutek fluktuacji stężenia węgla. Z ferrytu tego wydzielają się bardzo drobne cząstki węglików. Przemiana bainityczna zaczyna się po chłodzeniu austenitu do pewnej określonej temperatury. Upodabnia ja to do przemiany martenzytycznej. Od przemiany martenzytycznej różni się tylko tym że wzrost płytek bainitu jest powolny i ciągły, co świadczy o dyfuzyjnym charakterze przemiany. Cechy morfologiczne bainitu różnią się od perlitu. Bainit górny jest pierzasty, dolny iglasty. W bainicie górnym wydzielenia węglików są grubsze i zorientowane przeważnie równolegle do osi płytek ferrytu. W bainicie dolnym węgliki są drobniejsze i i układają się w poprzeczne pasma pod kątem 55º do osi płytek. Twardość bainitu jest większa od perlitu, a mniejsza od martenzytu.

Przemiana martenzytyczna- występuje w stopach ale tylko martenzyt węglowy w stali cechuje się wysoką twardością. Martenzytem nazywamy przesycony roztwor stały węgla w żelazie α, który jest produktem przemiany bezdyfuzyjnej. W układzie Fe-C przemiana martenzytyczna przebiega tylko jednokierunkowo, podczas gdy w innych stopach jest odwracalna. Siła napędowa przemiany martenzytycznej jest różnica energii swobodnej między austenitem i martenzytem, ale warunkiem powstania martenzytu jest chłodzenie austenitu z taka szybkością aby nie ulegała ona wcześniejszej przemianie w perlit lub bainit. Drugim warunkiem rozpoczęcia się przemiany martenzytycznej jest ochlodzenie austenitu poniżej określonej temperatury zwanej temperatura początku przemiany martenzytycznej. Jest ona stała dla konkretnej stali i nie zależy od zastosowanej szybkości chłodzenia. Warynkiem daleszego przebiegu przemiany maretnzytycznej jest obniżenie temperatury . Po przekroczeniu temperatury końca przemiany dalsza przemiana nie zachodzi, pomiomo że pozostaje jeszcze pewna ilość austenitu. Austenit ten nosi nazwę szczątkowego.

Przemiany przy chłodzeniu stali

Przemiana przy chłodzeniu stali

Dyfuzyjna przemiana austenitu- zwana jest drugą przemianą podstawową. Po chłodzeniu austenitu poniżej Ar1, powstaje różnica energii swobodniej która jest siła napędową tej przezmiany. W zależności od zakresu temperatur w których ona występuje ma różny przebieg, występuja tez różnice morfologiczne powstającej struktury. W zakresie powyżej temperatury maksymalnego zarodkowania istnieje zakres przemiany perlitycznej, poniżej- zakres przemiany bainitycznej. Temperatura graniczna oddzielająca te zakresy odpowiada przechłodzeniu ok. 200ºC poniżej A1.

Najłatwiej można zrozumieć istote przemiany dyfuzyjnej austenitu, rozpatrując ja w warunkach izotermicznych. Załóżmy że cienką próbkę ze stali eutektoidalnej poddajemy austenityzowaniu, a następnie zanurzamy ja w kąpieli chłodzącej o stałej temperaturze- poniżej A1, ale w zakresie perlitycznym. Podobny charakter ma przemiana austenitu w zakresie bainitycznym . Cecha przemiany bainitycznej jest to że zachodzi ona do końca, tzn. do całkowitego wyczerpania austenitu.

Każda stal ma charakterystyczny dla niej wykres CTPi, wazny w obróbce cieplnej, gdyż na jego podstawie można przewidywać skłonność austenitu do przemiany dyfuzyjnej i konieczna szybkość chłodzenia do jej zahartowania, jak również strukturę, jaka powstanie po przemianie w określonej temperaturze. Wykresy CTPi można sporządzić różnymi metodami. Najprostsze są metody:metalograficzna i twardości. Wykresy CTPi są rzeczywistym odbiciem przemian zachodzących w stalach przy chłodzeniu ciągłym, dlatego że okres przebywania austenitu w niższej temperaturze nie jest równoważny jego okresowi przebywania w wyższej temperaturze. Ponieważ jednak wiele istotnych procesów obróbki cieplej jest związane z chłodzeniem ciągłym stali, zaczęto opracowywać również wykresy CTPc. Wykresy takie sporządza się najczęściej metodą dylatometryczną stosując odpowiednio zaprogramowane różne przebiegi chłodzenia. Wykresy CTPc opracowano dla najczęściej stosowanych stali i zamieszczono w kartach materiałowych i poradnikach obróbki cieplnej poradnikach obróbki cieplnej.

Przemiana perlityczna- jest dyfuzyjna, co oznacza że do jej rozpoczęcia i przebiegu konieczne jest przegrupowanie atomów węgla i żelaza drogą dyfuzji. Po chłodzeniu austenitu poniżej temperatury Ar1 zaczynają powstawać zarodki perlitu na drodze heterogenicznej. Zarodkami mogą być nie rozpuszczane całkowicie cząstki cementytu lub drobne wydzielenia ferrytu, które powstają na granicach ziarn austenitu. Prędkość przemiany perlitycznej zależy od szybkości zarodkowania koloni perlitycznej. W warunkach izotermicznych szybkość wzrostu kolonii perlitu jest stała i również odległości między płytkami są stałe- nie zależą od struktury austenitu. W miarę obniżania temperatury, odległości między płytkami w perlicie zmniejszają się, co z jednej strony jest spowodowane obniżeniem szybkości dyfuzji a z drugiej większym zasobem energii swobodnej przy zwiększonym przechłodzeniu. Pozwala to na utworzenie granicy międzyfazowych o większej powierzchni.

Przemiana bainityczna- zachodzi w stalach węglowych poniżej temperatury najmiejszej trwałości austenitu. Jest również nazywana przemianą pośrednią. Przyjmuje się że zaczyna się od utworzenia zarodków ferrytu, które powstają na granicach ziarn austenitu wskutek fluktuacji stężenia węgla. Z ferrytu tego wydzielają się bardzo drobne cząstki węglików. Przemiana bainityczna zaczyna się po chłodzeniu austenitu do pewnej określonej temperatury. Upodabnia ja to do przemiany martenzytycznej. Od przemiany martenzytycznej różni się tylko tym że wzrost płytek bainitu jest powolny i ciągły, co świadczy o dyfuzyjnym charakterze przemiany. Cechy morfologiczne bainitu różnią się od perlitu. Bainit górny jest pierzasty, dolny iglasty. W bainicie górnym wydzielenia węglików są grubsze i zorientowane przeważnie równolegle do osi płytek ferrytu. W bainicie dolnym węgliki są drobniejsze i i układają się w poprzeczne pasma pod kątem 55º do osi płytek. Twardość bainitu jest większa od perlitu, a mniejsza od martenzytu.

Przemiana martenzytyczna- występuje w stopach ale tylko martenzyt węglowy w stali cechuje się wysoką twardością. Martenzytem nazywamy przesycony roztwor stały węgla w żelazie α, który jest produktem przemiany bezdyfuzyjnej. W układzie Fe-C przemiana martenzytyczna przebiega tylko jednokierunkowo, podczas gdy w innych stopach jest odwracalna. Siła napędowa przemiany martenzytycznej jest różnica energii swobodnej między austenitem i martenzytem, ale warunkiem powstania martenzytu jest chłodzenie austenitu z taka szybkością aby nie ulegała ona wcześniejszej przemianie w perlit lub bainit. Drugim warunkiem rozpoczęcia się przemiany martenzytycznej jest ochlodzenie austenitu poniżej określonej temperatury zwanej temperatura początku przemiany martenzytycznej. Jest ona stała dla konkretnej stali i nie zależy od zastosowanej szybkości chłodzenia. Warynkiem daleszego przebiegu przemiany maretnzytycznej jest obniżenie temperatury . Po przekroczeniu temperatury końca przemiany dalsza przemiana nie zachodzi, pomiomo że pozostaje jeszcze pewna ilość austenitu. Austenit ten nosi nazwę szczątkowego

Przemiana martenzytyczna – bezdyfuzyjna przemiana przesyconego stopu żelaza zwanego austenitem, jaka zachodzi w czasie hartowania stali.

Aby z austenitu otrzymać martenzyt należy chłodzić z prędkością większą od krytycznej, (stycznej do wykresy CTPi w punkcie Ts=550'C). Następuje w sposób bezdyfuzyjny przemiana sieci z A1 w A2. Rozróżniamy dwa rodzaje martenzytu: iglasty i listwowy

Ponieważ przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną rzadko kiedy dochodzi do końca (czyli wtedy kiedy 100% austenitu ulega przemianie). Austenit który nie uległ przemianie nazywany jest austenitem szczątkowym. Im większy udział procentowy (%C wagowy) tym więcej austenitu nie ulegnie przemianie. Austenit szczątkowy znacząco obniża właściwości wytrzymałościowe, ale jest niekiedy zjawiskiem pożądanym (np. stale narzędziowe szybkotnące wymagają około 20% austenitu szczątkowego ). Należy pamiętać także że temperatura Mf jest tym niższa im wiecej węgla w stopie (powyżej 0,5%C wagowych Mf osiąga wartości ujemne wartości).

Przemianę martenzytyczną można także zatrzymać w trakcie. Pozostały austenit nieprzemieniony może ulec przemianie w wyniku dostarczenia energii np przez zgniot. Stale takie (TRIP) stosowane są na karoserie samochodowe. Po zderzeniu przemiana dochodzi do końca i w wyniku zgniatania stal się sama umacnia pochłaniając znaczną część energii. Stal po skończonej przemianie martenzytycznej jest twarda i zbyt krucha aby wykorzystać ją na główne elementy konstrukcyjne, dlatego należy poddać ją procesowi odpuszczania.

Przemiana martenzytyczna – przemiana przesyconego austenitu, jaka zachodzi w czasie jego szybkiego schładzania (hartowanie stali).

Przemiana martenzytyczna zachodzi spontanicznie, gdy temperatura chłodzonej stali osiągnie temperaturę początku przemiany martenzytycznej Ms. Z chwilą osiągnięcia temperatury końca przemiany martenzytycznej Mf, cały austenit zamienia się w martenzyt. Jeżeli chłodzenie ustanie w trakcie jej trwania, pozostałą część austenitu przemienia się w inne fazy np. sorbit hartowania.

Przemiana perlityczna - przemiana fazowa (termiczna) austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia stali (poniżej temperatury 723°C) nagrzanej do temperatury austenitu. Zachodzi przy ochłodzeniu austenitu poniżej temperatury Arl (alotropowej), przemiana dyfuzyjna związana z przegrupowaniem atomów węgla zachodząca przez zarodkowanie i wzrost zarodków; zarodkowanie heterogeniczne na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w austenicie na granicach jego ziaren; kolejno tworzenie płytek cementytu i ferrytu. PERLIT - mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu oraz cementytu.

Przemiana perlityczna, w metaloznawstwie fazowa przemiana termiczna austenitu w perlit zachodząca w wyniku powolnego chłodzenia (poniżej temperatury 723°C) nagrzanej do temperatury austenitu stali węglowej lub niskostopowej.

Przemian bainityczna – przechłodzenie austenitu do temp. odpowiadających środkowemu obszarowi na wykresie CTPi (ok. 550 – 200°C dla stali węglowej), przemiana ta zawiera w sobie elementy PM i PP, różniąc się jednak w swoisty sposób od obu tych przemian.

W tym zakresie temp. szybkość dyfuzji węgla jest bardzo mała. W warunkach tych z austenitu powstają płytki ferrytu przesycone węglem. Ponieważ jednak szybkość dyfuzji węgla w żelazie  jest znacznie większa niż w żelazie , z powstałych płytek przesyconego ferrytu wydziela się cementyt. Bainit jest, więc mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i węglikami. Im niższa jest temp. PB tym mniejsza jest szybkość dyfuzji węgla i wydzielenia cementytu są drobniejsze (właściwości i struktura zależą od temp. przemiany). Rozróżnia się bainit górny powstały z przemiany austenitu w temp. ok. 550 – 350°C, oraz bainit dolny powstały w zakresie 350 – 250°C.

Przemiana bainityczna, w metaloznawstwie fazowa przemiana termiczna w bainit, pośrednia między przemianą perlityczną a przemianą martenzytyczną, polegająca na przechłodzeniu austenitu do temperatury z zakresu 500-300°C, w której nie zachodzi już dyfuzja pierwiastków metalicznych, zachodzi zaś jeszcze dyfuzja węgla