| Układy równowagi fazowej stopów dwuskładnikowych | Data: | |
|---|---|---|
| TD-I, LP2 | ocena |
Charakterystyka przemian fazowych w stali:
W obróbce cieplnej stali istotne znaczenie mają cztery podstawowe przemiany zależnie od rodzaju fazy wyjściowej, kierunku i szybkości zmiany temperatury:
-przemiana dyfuzyjna podczas nagrzewania (austenityzowanie),
-przemiana dyfuzyjna w czasie chłodzenia (wyżarzanie),
-przemiana bezdyfuzyjna podczas chłodzenia (hartowanie),
-przemiana dyfuzyjna martenzytu (odpuszczanie).
Przemiana perlitu w austenit
Przebiega powyżej temperatury równowagi austenitu z ferrytem i cementytem. Przemiana ta ma charakter dyfuzyjny, tj. zachodzi rozpuszczenie się cementytu i równomierne rozmieszczenie się węgla w austenicie drogą dyfuzji. W zwykłych warunkach stosunkowo szybkiego nagrzewania stali występuje opóźnienie przemiany i konieczne jest podwyższenie temp, aby przemiana zaszła w określonym czasie. Perlit przegrzany powyżej temp. A przemienia się w austenit z różną szybkością, zależnie od stopnia przegrzania. Szybkość przebiegu tej przemiany zależy również w znacznym stopniu od początkowej struktury stali, tj. od stopnia dyspersji cementytu i od jego kształtu. Im drobniejsze są cząstki cementytu, a tym samym większa ich ogólna powierzchnia, tym szybciej zachodzą opisane przemiany.
Przemiana dyfuzyjna austenit- perlit
Przemiana austenitu w perlit rozpoczyna się pojawieniem zarodków cementytu na granicy ziaren austenitu. Dzięki dyfuzji węgla z otaczającego te zarodki austenitu, cząsteczki cementytu stopniowo rozrastają się tworząc płytki, zaś sam austenit o niskiej zawartości węgla ulega przemianie w ferryt. Następnie na granicy faz pomiędzy ferrytem a austenitem powstaje nowa płytka cementytu. Powstałe płytki cementytu i ferrytu rozrastają się równocześnie w kierunku wzdłużnym (w głąb ziaren austenitu). Na tej drodze tworzy się perlit, przy czym w jednym ziarnie austenitu powstaje kilka obszarów złożonych z równoległych pasemek ferrytu i cementytu. Przemiana austenitu w perlit jest procesem dyfuzyjnym, zachodzącym na drodze tworzenia się zarodków i ich dalszego rozrostu. Zgodnie z Tammannem liniowa szybkość krystalizacji (sk) i liczba ośrodków krystalizacyjnych (lz) wzrastają ze wzrostem stopnia przechłodzenia austenitu.
Przemiana austenitu- 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 bainityczna
Jest to 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 α jest znacznie większa niż w żelazie γ, 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.
Umacnianie wydzieleniowe
Metoda obróbki cieplnej metali prowadząca w efekcie do zwiększenia ich wytrzymałości mechanicznej. Utwardzenie jest efektem wydzielenia rozpuszczonego składnika z roztworu przesyconego a w temperaturze niższej prowadzące w efekcie do zmiany właściwości stopu.
Utwardzanie wydzieleniowe jest możliwe tylko dla stopów:
w których dodatek stopowy częściowo rozpuszcza się w osnowie
w wysokich temperaturach tworzy z osnową roztwór stały graniczny
przy obniżaniu temperatury wykazuje małą rozpuszczalność graniczną. Utwardzanie wydzieleniowe jest najefektywniejsze gdy zmniejszenie rozpuszczalności dodatku stopowego zachodzi w wysokiej temperaturze tuż poniżej maksimum rozpuszczalności i prowadzi do wydzielenia fazy wtórnej. Utwardzanie wydzieleniowe jest bardzo efektywne niestety w praktyce można go stosować w stosunku do nielicznych stopów: Cu-Be, Al-Cu. Ni-Cr, Fe-Ni (niektóre wysokostopowe stale niklowe, tzw. martenzytyczne starzone).
Obróbka cieplno- plastyczna
Obróbka cieplno-plastyczna ma na celu umocnienie materiału zarówno przez zgniot jak i hartowanie. Obróbka cieplno-plastyczna polega na połączeniu tych dwóch operacji: odkształcony plastycznie austenit hartujemy w taki sposób, aby nie zdążył zajść proces rekrystalizacji. Martenzyt, który powstaje z odkształconego plastycznie austenitu, "dziedziczy" po nim defekty struktury krystalicznej, a przede wszystkim zwiększoną gęstość dyslokacji, co powoduje, że jego twardość, a zwłaszcza wytrzymałość, jest wyraźnie wyższa. Równocześnie dzięki rozdrobnieniu ziarna martenzytu lepsze są właściwości plastyczne stali. Obróbka cieplno - plastyczna może być prowadzona kilkoma sposobami. Najczęstsze to: a) wysokotemperaturowa obróbka cieplno - plastyczna (WOCP) b) niskotemperaturowa obróbka cieplno - plastyczna (NOCP) WOCP polega na odkształceniu plastycznym stali w temp. nieco wyższej od A3, a warunki oziębiania powinny być tak dobrane, aby przemiana A-M zaszła na całym przekroju obrabianego przedmiotu wcześniej niż rekrystalizacja austenitu. Stosuje się ją do przedmiotów o niezbyt dużej grubości (40-50mm). NOCP można stosować do stali, które wykazują dużą trwałość przechłodzonego austenitu, a więc do stali stopowych. Od temp. austenityzacji oziębiamy stal do temp. leżącej między temp. rekrystalizacji i temp. początku przemiany martenzytycznej. W temp. tej odkształcamy plastycznie stal na tyle szybko, aby nie rozpoczęła się przemiana dyfuzyjna, a następnie hartujemy. W porównaniu z klasyczną obróbką cieplną (hartowanie i niskie odpuszczanie) stal poddana OCP ma wytrzymałość wyższą o ok. 15-30% i nie gorsze, a nawet nieco lepsze, właściwości plastyczne. Zwiększona jest również wytrzymałość zmęczeniowa (kilkakrotnie), odporność na ścieranie i wytrzymałość na pełzanie. Ponieważ zastosowanie OCP eliminuje konieczność nagrzewania przed hartowaniem, pozwala to na oszczędność energii i czasu pracy.