Nazwisko i Imię: Kołodziej Arkadiusz	Wydział / Grupę MiIM / II	Grupa 5
Temat: BADANIE MIKROSKOPOWE STALI OBROBIONEJ CIEPLNIE	Data: 16.04.1999 LAB: 9	OCENA:

Cel ćwiczenia:

Zapoznanie się z podstawowymi rodzajami obróbki cieplnej i ich wpływem na własności stali.

Podstawowe wiadomości:

Hartowanie

obróbka cieplna metali (gł. stali) polegająca na nagrzewaniu materiału do temperatury, w której zachodzą przemiany fazowe, wygrzaniu w tej temperaturze i następnie odpowiednio szybkim chłodzeniu; ma na celu utwardzenie materiału; hartowanie może obejmować całą objętość przedmiotu lub tylko warstwy powierzchniowe.

Wyżarzanie

rodzaj obróbki cieplnej polegający na nagrzaniu metalu do odpowiedniej temperatury, wygrzaniu go w tej temperaturze, a następnie powolnym chłodzeniu; ma na celu gł. ujednorodnienie składu chemicznego i struktury materiału, usunięcie w nim naprężeń oraz zmiękczenie; najczęściej stosowane: odprężające, ujednorodniające i normalizujące.

Odpuszczanie

obróbka cieplna polegająca na nagrzaniu zahartowanej uprzednio stali; przez odpuszczanie zmniejsza się twardość, a zwiększa plastyczność i 

Przemiany fazowe są podstawą obróbki cieplnej stopów. Można je podzielić na dwie grupy:

• W przemianach dyfuzyjnych jest konieczna dyfuzja, a więc istotną rolę odgrywa w nich oprócz temp. czas. Zachodzą one przez zarodkowanie i wzrost zarodków.

• W przemianach bezdyfuzyjnych dyfuzja nie odgrywa żadnej roli i dlatego mogą one zachodzić z bardzo dużymi prędkościami.

Przemiany dyfuzyjne:

Przy zarodkowaniu nakładają się dwa przeciwstawne procesy. Prawdopodobieństwo zarodkowania Pz szybko rośnie. Z przechłodzeniem zaś w miarę obniżania temp. maleje współczynnik dyfuzji P. Powoduje to, że największa prędkość zarodkowania, a więc przemiany dyfuzyjne przy chłodzeniu występuje przy pewnej pośredniej temp. gdzie przechłodzenie jest dostatecznie duże, a szybkość dyfuzji nie jest zbyt mała.

Warunki uzyskania struktury martenzytycznej:

1. Chłodzimy z austenitu

2. Prędkość chłodzenia musi być większa od U_k

3. Obniżenie temp. poniżej M_s

Przemiany w stali po odpuszczeniu

Główną i najistotniejszą przemianą jaka zachodzi w stali zahartowanej jest rozkład martenzytu, który pozostał w stanie równowagi martenzytycznej w mieszaninę faz ułożoną z ferrytu i węglików. Mieszanina taka ma niższą energię swobodną niż martenzyt. To jest główną siła napędową (reakcji) przemiany.

Ponieważ różnym zmianą strukturalnym, mającym miejsca towarzyszy podczas odpuszczania określona zmiana objętości. Proces odpuszczania można śledzić za pomocą dylatometru.

• I stadium przemiany – skurcz próbki jest spowodowany wydzieleniem się węgla z przesyconego roztworu stałego. Węglik ten wydziela się w postaci nadzwyczaj deyspersyjnego węglika . Struktura typowa dla tego stadium złożona z roztworu , przesyconego węgla do ok. 0,3% i wydzielin węglika nazywa się martenzytem odpuszczonym.

• II stadium przemiany – wzrost objętości (od ok. 170-300 ), przeważa tutaj proces przemiany austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony. Powstaje roztwór stały przesycony jeszcze węglem 0,15-0,2%

• III stadium przemiany – następuje silny skurcz (290-400 ), który jest wywołany całkowitym wydzieleniem się węgla z przesyconego roztworu i przemianą węglika w Fe₃C – sorbit

• IV stadium – polega na koagulacji cementytu. Istotą tego procesu jest stopniowe rozpuszczanie się mniejszych cząstek i wzrost większych – cementyt kulkowy (sferoidyt)

W operacjach obróbki cieplnej stali mamy do czynienia z czterema podstawowymi przemianami fazowymi, które zachodzą w zależności od rodzaju fazy wyjściowej, kierunku zmiany temperatury i szybkości chłodzenia. Wszystkie przemiany zachodzą dzięki dążności układu do obniżenia energii swobodnej.

Przemiany perlitu w austenit

Jest to pierwsza przemiana podstawowa, decydująca o możliwości zachodzenia następnych przemian. Po nagrzaniu stali powyżej temp. A₁ austenit ma mniejszą energię swobodną niż perlit. Różnica energii swobodnych, która narasta w miarę zwiększania stopnia przegrzania perlitu ponad A₁. Stanowi siłę napędową przemiany. Szybkość przemiany zależy od stopnia nagrzania perlitu powyżej temp. A₁. Im mniejsza temp. przemiany tym mniej czasu upływa od zapoczątkowania do zakończenia przemiany perlitu w austenit. Szybkość przemiany zależy też od struktury perlitu. Po zakończeniu przemiany perlitu w austenit dalsze obniżenie energii swobodnej układu może nastąpić drogą zmniejszenia ogólnej powierzchni ziarn, a więc poprzez wzrost ziarn austenitu. Jest to dość ważne ze względu na to, że wzrośnięte ziarno ujemnie odbija się na własnościach stali.

Dyfuzyjna przemiana austenitu

Zwana jest drugą przemianą podstawową. Po ochłodzeniu austenitu poniżej A₁ powstaje różnica energii swobodnych, która jest siłą napędową tej przemiany. W zależności od zakresu temp. w których zachodzi, ma różny przebieg. Występują też różnice morfologiczne powstającej struktury. Istnieje zakres przemiany perlitycznej oraz bainitycznej. Temp graniczna oddzielająca te wykresy odpowiada przechłodzeniu ok.200 poniżej A₁.

Przemiana perlityczna

Jest to przemiana dyfuzyjna co oznacza że od jej rozpoczęcia i przebiegu jest konieczne przegrupowanie atomów węgla i żelaza drogą dyfuzji. Po ochłodzeniu austenitu poniżej A₁ zaczynają powstawać zarodki perlitu. Zarodkami mogą być nierozpuszczone całkowicie cząstki cementytu lub drobne wydzielenia ferrytu, które powstają na granicach ziarn austenitu. Jeśli najpierw utworzy się płytka cementytu zaczyna ona rozrastać się wciągając węgiel z otaczającego austenitu. Gdy natężenie węgla opadnie do poziomu odpowiadającego stanowi ferryt – zaczyna rosnąć płytka ferrytu. W wyniku tego stężenie węgla wzrasta do osiągnięcia składu wymaganego do utworzenia płytek cementytu. Następnie cykl powtarza się do całkowitego wyczerpania austenitu.

Przemiana bainityczna

Zachodzi w stalach węglowych poniżej temp. najmniejszej twardości austenitu. Jest również nazywana przemianą pośrednią. Przyjmuje się, że rozpoczyna się od utworzenia zarodków ferrytu, które powstają na granicach ziarn austenitu. Z ferrytu tego wydzielają się następnie bardzo drobne cząstki węglików, we wszystkich temp. przemiany jest to cementyt, natomiast w niższych skład i struktura tych cząstek cofną się od cementytu.

Przemiana bainityczna zaczyna się po ochłodzeniu do pewnej określonej temp. B_s, a końcowy w temp. Pomiędzy B_s a B_p przemiana nie zachodzi do końca. Pozostały austenit ulega po ochłodzeniu przemianie w martenzyt. Mechanizm tej przemiany jest pod pewnym względem podobny do przemiany martenzytycznej np. na powierzchni powstaje charakterystyczny relief; od przemiany martenzytycznej różni się tym, że wzrost płytek bainitu jest powolny i ciągły co świadczy o dyfuzyjnym charakterze przemiany.

Bezdyfuzyjna przemiana austenitu (matrenzytyczna)

Jest nazywana trzecią przemianą podstawową. Występuje w wielu stopach, ale tylko martenzyt węglowy w stalach cechuje się wysoką twardością.

Martenzytem nazywamy przesycony roztwór stały węgla w Fe . Siłą napędową tej przemiany jest różnica energii swobodnej między austenitem i martenzytem, a warunkiem powstania martenzytu jest chłodzenie austenitu z taką szybkością, aby nie uległ on wcześniej przemianie w perlit lub bainit. Drugim warunkiem rozpoczęcia tej przemiany jest chłodzenie austenitu poniżej określonej temp. zwanej temp. początkową przemiany martenzytycznej M_s. Natomiast po przekroczeniu M_s zaczyna się przemiana, która zachodzi z bardzo dużą szybkością, która świadczy o tym, że dyfuzja nie może odgrywać żadnej roli. Warunkiem dalszego przebiegu jest obniżenie temp. aż do M._f . Po przekroczeniu M._f powstaje jeszcze nie przemieniony tzw. austenit szczątkowy. Martenzyt ma strukturę tetragonalną powstałą poprzez zniekształcenie komórki obecnością atomów węgla w lukach oktaedrycznych.

kowalność stali.

4