Przemiany fazowe w stali - przemiana bainityczna
Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczanie węgla. Zachodzi po przechłodzeniu austenitu do temperatury w zakresie 450 - 200oC. W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików.
Bainit górny - ziarna przesyconego węglem ferrytu o nieregularnych kształtach z nieregularnymi wydzieleniami węglików oraz austenit szczątkowy.
Bainit dolny - przesycony węglem ferryt o postaci listwowej, zbliżony do martenzytu, płytkowe węgliki w równoległych rzędach, ściśle zorientowanych względem listew ferrytu oraz austenit szczątkowy.. Martenzyt w czystym żelazie ma sieć krystaliczną identyczną jak Fea - RPC (sieć regularna przestrzennie centrowana). Maksymalna wielkość płytek martenzytu ograniczona jest wielkością ziarna austenitu. Ze wzrostem wymiaru płytki rosną naprężenia wywołane zniekształceniem obszaru doznającego przemiany.Gęstość dyslokacji w martenzycie wynosi zwykle 10 15-1016 m-2. W stalach niskowęglowych dominuje martzenzyt listwowy, a w stalach wysokowęglowych martenzyt płytkowy. Martenzyt powstaje podczas ciągłego chłodzenia przechłodzonego austenitu w zakresie temperatur Ms - Mf. Obie temperatury zależą od stężenia węgla w austenicie.. Po zakończeniu przemiany w strukturze oprócz martenzytu pozostaje austenit szczątkowy. Udział austenitu szczątkowego w strukturze stali zwiększa wzrost stężenia węgla w austenicie.
Obróbka cieplna - to zestaw odpowiednio dobranych zabiegów, które prowadzą do zmiany w stanie stałym własności stali lub stopów. Zmiany te są związane z przemianami fazowymi, których efektem jest przebudowa struktury i zmiana własności . Zabiegiem cieplnym nazywamy część operacji (np. nagrzewanie, wygrzewanie,, chłodzenie). Operacja O.C. to część procesu technologicznego (np. wyżarzanie lub hartowanie). Operacja O.C. stanowi cykl zmian temperatury obejmujący zabiegi nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia. Wyżarzanie ujednoradniające (homogenizujące) - nagrzanie stali do temperatury zbliżonej do linii solidus (1000-1250oC) i długotrwałe wytrzymanie, Cel - wyrównanie składu chemicznego przez dyfuzję. Wyżarzanie normalizujące (normalizowanie)- nagrzanie stali do stanu austenitu, tj. 30-50oC ponad linię GSE (Ac3-Acm) i powolnym studzeniu w powietrzu. Cel - rozdrobnienie ziarna, ujednorodnienie struktury, usunięcie siatki wydzieleń na granicach ziarn.
Wyżarzanie zupełne - tak ja normalizujące, ale studzi się wsad razem z piecem.Cel - wytworzenie struktury zbliżonej do stanu równowagi, zmniejszenie twardości i naprężeń wewnętrznych oraz zwiększenie ciągliwości.Wyżarzanie niezupełne - nagrzanie do temp. 30-50oC wyższej od Ac1,Cel - jak przy wyżarzaniu zupełnym, ale w tym przypadku przekrystalizowuje tylko perlit
Wyżarzanie odprężające (odprężanie) - nagrzanie do temp. poniżej Ac1 (poniżej 650oC), wygrzaniu i powolnym chłodzeniu.Cel - zmniejszenie naprężeń własnych.Stosuje się od odprężania odlewów staliwnych i elementów spawanych.
Celem hartowania jest zwiększenie twardości materiału,Skutkiem (H) jest obniżenie ciągliwości,Wszystkie rodzaje (H) poprzedzone są austenityzowaniem w temperaturach:30-50oC powyżej linii Ac3 dla stali podeutektoidalnychi 30-50oC powyżej linii Ac1 dla stali nadeutektoidalnych. Rodzaje hartowania: (H) zwykłe; celem jest uzyskanie struktury martenzytycznej. Po (A) następuje szybkie chłodzenie w wodzie, oleju (zależy od stali i przedmiotu),
Hartowanie stopniowe; polega na oziębianiu stali w kąpieli solnej w temperaturze wyższej od Ms i wytrzymaniu, aż do wyrównania temp. na przekroju (czas wytrzymania nie dłuższy od czasu rozpoczęcia przemiany dyfuzyjnej - bainitycznej) i następnie ochłodzenie do temperatury otoczenia - celem jest zmniejszenie naprężeń własnych i odkształceń części hartowanych przy zachowaniu wysokiej twardości. (H) izotermiczne (bainityczne) - podobne do stopniowego, ale wydłużony czas wytrzymywania w kąpieli izotermicznej aż do przejścia przemiany bainitycznej
Hartowanie powierzchniowe; celem jest wytworzenie struktury martenzytycznej jedynie w cienkiej strefie przypowierzchniowej. Uzyskuje się twardą powierzchnię, odporną na ścieranie i zmęczenie oraz ciągliwy rdzeń. Odpuszczanie polega na nagrzaniu stali zahartowanej od temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury otoczenia.Celem odpuszczania jest wywołanie określonych przemian fazowych i, w konsekwencji, poprawy własności stali. Odpuszczanie niskie jest wykonywane w temperaturze 150 - 250oC i stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie. Odpuszczanie średnie jest wykonywane w temperaturze 250 - 500oC i jest stosowane do sprężyn, matryc i innych części maszyn.W wyniku tej operacji twardość ulega wprawdzie pewnemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość. Odpuszczanie wysokie jest wykonywane w temperaturze wyższej niż 500oC, lecz niższej od Ac1, i ma na celu osiągnięcie możliwie najlepszych własności plastycznych. Przemiany w stali podczas chłodzenia Perlityczna Bainityczna martenzytyczna. Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu - do ok. 200oC.W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, tj. przesycony roztwór węgla w żelazie a. Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczanie węgla.Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie 450 - 200oC.
W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików.
Stadia odpuszczania Zachodzi w zakresie 80-200oC i jest związane z rozkładem martenzytu i wydzielaniem w nim węglika e - Fe2C. Powstaje martenzyt odpuszczony. 2 Zachodzi w zakresie 200-300oC wywołuje przemianę austenitu szczątkowego w martenzyt odpuszczony. 3. Zachodzi w zakresie 300-400oC polega na rozpuszczaniu się węglika e w osnowie i wydzielaniu się cementytu. 4. Powyżej 400oC zachodzi koalescencja i koagulacja i cementytu oraz zarodkowanie i wrost ziarn ferrytu. Powstaje martenzyt wysokoodpuszczony zwany również sorbitem (drobne, kuliste cząstki cementytu w osnowie ferrytu). 5. W temperaturze 600oC zachodzi dalsza koagulacja i sferoidyzacja cementytu.
Stopy żelaza zawierające powyżej 2%C o składzie fazowym zgodnym z wykresem Fe-Fe3C noszą nazwę surówek białych, natomiast krzepnące zgodnie z wykresem żelazo-grafit są nazywane surówkami szarymi,Surówki przetopione w piecu elektrycznym lub żeliwiaku, często z dodatkiem złomu stalowego, noszą nazwę żeliw. Żeliwa są stopami odlewniczymi na osnowie żelaza o zawartości węgla 2,0 - 4,5% oraz dodatków manganu i krzemu.Ich strukturę interpretuje się na podstawie układu żelazo-cementyt (białe) lub żelazo-grafit (szare). Rozróżnia się żeliwa:szare (C w postaci grafitu) białe (C w postaci cementytu)połowiczne (C w postaci grafitu i cementytu) . Strukturę żeliwa szarego stanowi osnowa metaliczna, którą może być ferryt, perlit lub ich mieszaniny, ewentualnie z cementytem i wtrąceniami niemetalicznymi, a także grafit o różnej wielkości i różnym kształcie.
Grafit jest bardzo miękki, a jego wytrzymałość jest bliska zeru. Grafit (w formie płatków, kulek, krętków) może tworzyć się bezpośrednio z cieczy oraz na skutek przemiany eutektycznej:w stopach eutektycznych grafit wydziela się z cieczy w postaci bardzo drobnych wtrąceń i jest składnikiem eutektyki grafitowej,grube płatki grafitu wydzielają się w czasie krzepnięcia żeliw nadeutektycznych. Grafit powoduje obniżenie własności wytrzymałościowych żeliwa i zmianę niektórych własności, a szczególnie:działa jak karb wewnętrzny, stanowiąc nieciągłości w metalu,zmniejsza skurcz odlewniczy,polepsza skrawalność,zwiększa własności ślizgowe,tłumi drgania,zwiększa wytrzymałość zmęczeniową Na proces grafityzacji wywierają wpływ domieszki i zanieczyszczenia:Si i P ułatwiają grafityzację,Mn i S przeciwdziałają grafityzacji,P częściowo rozpuszcza się w ferrycie, tworząc niskotopliwą potrójną eutektykę fosforową zwaną steatytem ó
Na proces grafityzacji istotnie wpływa szybkość chłodzenia odlewów, którą dla jednakowych materiałów formierskich można z dopuszczalnym przybliżeniem sprowadzić do grubości ścianek odlewów:Wraz ze zwiększeniem grubości ścianek odlewu zwiększa się ilość i grubość płatków wydzielonego grafitu,Wpływ omawianych czynników na strukturę i własności stali można przedstawić graficznie w postaci wykresów.Żeliwa szare niestopowe można podzielić na trzy grupy:szare zwykłe modyfikowane sferoidalne. Żeliwo szare ferrytyczne charakteryzuje się niską wytrzymałością, dobrą skrawalnością oraz małą odpornością na zużycie ścierne.Twardość i wytrzymałość żeliwa szarego zwiększa się w miarę zwiększania udziału perlitu w strukturze.Wytrzymałość żeliwa szarego wynosi od 100 do 450 MPa przy twardości 200 - 250 HB.Żeliwo szare wykazuje bardzo niskie własności plastyczneCechuje się dobrą zdolnością do tłumienia drgań. Żeliwo modyfikowane otrzymuje się przez zabieg modyfikowania żeliwa o składzie chemicznym wykazującym tendencję do krzepnięcia jako białe lub połowiczne. Modyfikacja polega na wprowadzeniu do kąpieli ciekłej sproszkowanego modyfikatora (żelazo-krzem, wapnio-krzem lub aluminium) w ilości 0,1-0,5%. Modyfikator odgazowuje kąpiel i wymusza zarodkowanie heterogeniczne grafitu, w postaci drobnych, równomiernie rozproszonych płatków.
Żeliwo sferoidalne otrzymuje się przez dodanie do ciekłego metalu o tendencji do krzepnięcia jako żeliwo szare, lecz o bardzo małym stężeniu S i P, modyfikatora (żelazo-krzemu lub wapnio-krzemu) w ilości 0,1-0,5% oraz magnezu lub ceru.
Modyfikator odgazowuje kąpiel i wymusza zarodkowanie heterogeniczne grafitu, w postaci drobnych, równomiernie rozproszonych zarodków, a dodatek magnezu lub ceru powoduje ich wzrost w postaci kulowej.
W zależności od stężenia węgla i sposobu wytwarzania stopy Fe-C dzielimy na:stopy o zawartości węgla poniżej 2%, stosowane w stanie lanym nazywane są staliwami, a po dodatkowej obróbce plastycznej - stalami; Stopy żelaza zawierające powyżej 2%C są stosowane w stanie lanym. Jeśli są zgodne fazowo z wykresem Fe-Fe3C noszą nazwę surówek białych, natomiast krzepnące zgodnie z wykresem żelazo-grafit są nazywane surówkami szarymi,Surówki przetopione w piecu elektrycznym lub żeliwiaku, często z dodatkiem złomu stalowego, noszą nazwę żeliw.Żeliwami nazywamy więc stopy odlewnicze żelaza z węglem zawierające powyżej 2%C. Składniki, których stężenie przekracza umowną wartość określoną odpowiednimi normami, dodawane celowo do stopów żelaza z węglem - dla polepszenia własności użytkowych - noszą nazwę dodatków stopowych. Stale, staliwa i żeliwa, które w swym składzie chemicznym oprócz żelaza i węgla zawierają niewielkie stężenie innych pierwiastków w postaci domieszek i zanieczyszczeń są nazywane odpowiednio stalami, staliwami lub żeliwami niestopowymi (określane tradycyjne węglowymi).. Stale, staliwa i żeliwa zawierające dodatki stopowe są nazywane stopowymi.
Stale niestopowe specjalne charakteryzują się wyższym stopniem czystości i mniejszym udziałem wtrąceń niemetalicznych. Zwykle są przeznaczone do ulepszania cieplnego lub hartowania powierzchniowego. Stale niestopowe specjalne spełniają jeden lub więcej z podanych warunków: wymagana praca łamania (udarność) w stanie ulepszonym cieplnie, wymagana głębokość utwardzenia powierzchniowego lub twardość powierzchni po hartowaniu,niski udział wtrąceń niemetalicznych,stężenie fosforu i siarki <=0.020 % dla analizy wytopowej,minimalna praca łamania w - 50 oC KV>=27 J określona na próbkach wzdłużnych, przewodność elektryczna właściwa > 9 S m/mm2.
Do stali niestopowych jakościowych zaliczane są wszystkie stale niestopowe, nie zaliczone do stali specjalnych. Zwykle wymaga się od nich niektórych własności, np. ciągliwości, podatności na obróbkę plastyczną i /lub wielkości ziarna.
Stale niestopowe jakościowe ze względu na zastosowanie można podzielić na: konstrukcyjne (S235JR), maszynowe (E295), na urządzenia ciśnieniowe (P275), szynowe (R400), na produkty płaskie walcowane na zimno (H400), na produkty płaskie ze stali miękkich przeznaczonych do kształtowania na zimno (DC01), do zbrojenia betonu (PB240,RB500), automatowe (11SMn30, 11SMnPb37), sprężynowe (C60S), do ulepszania cieplnego (C45), stale na opakowania, stale na elektrody otulone i drut do spawania.
Układ żelazo-węgiel: ferryt, austenit, cementyt, perlit, ledeburyt, ledeburyt przemieniony. Wykresy (układy) równowagi - to graficznie przedstawione zakresy występowania faz (ciekłych i stałych) stopów w zależności od temperatury i składu chemicznego,Jeżeli w stopie występują dwa, trzy składniki lub więcej , to mówimy o wykresach równowagi faz dla stopów podwójnych, potrójnych, wieloskładnikowych,Wykresy równowagi pokazują przebiegi krzepnięcia stopów, pokazują zachodzące w nich przemiany, skład fazowy i skład chemiczny w zależności od temperatury. Fazą nazywamy część układu jednorodną pod względem chemicznym i krystalograficznym, oddzielona od reszty układu powierzchnią rozdziału, czyli granicą międzyfazową. Układem nazywamy zbiór faz. Jeśli fazy te znajdują się w równowadze termodynamicznej, to mówimy o układzie równowagi faz. Składnikami układu mogą być substancje proste (np. pierwiastki) lub złożone (np. związki) nie ulegające przemianom, z których składają się fazy układu. Reguła dźwigni (reguła odcinków) służy do określania procentowego udziału faz w stopie dla danej temperatury w warunkach równowagi Stopem nazywamy tworzywo metaliczne, składające się z dwóch lub więcej składników, z których co najmniej jeden stanowiący osnowę jest metalem.Oprócz tego stopy zawierają zwykle domieszki, które pochodzą z procesu wytwarzania. W skład stopów mogą wchodzić roztwory stałe, związki pośrednie składników stopu, związki powstałe z domieszek, wtrącenia niemetaliczne.
Celem wytwarzania stopów jest zwiększenie własności (w stosunku do własności czystych metali) np. wytrzymałościowych, antykorozyjnych, żaroodpornych, magnetycznych.Zwiększenie własności wytrzymałościowych zachodzi kosztem własności plastycznych.
Roztwory stałe stanowią mieszaninę atomów różnych składników o całkowicie przypadkowym rozmieszczeniu w węzłach sieci (przymiotnik „stały” określa, że roztwór występuje w stanie stałym).
Roztwory stałe można podzielić na: różnowęzłowe i międzywęzłowe
w zależności od zakresu występowania na wykresie równowagi roztwory dzielimy na:
ciągłe (o nieograniczonej rozpuszczalności składników),
graniczne (o ograniczonej rozpuszczalności).
Czynniki decydujące o tworzeniu roztworów stałych:
Reguła elektrowartościowości ujemnej (im mniejsza różnica tym większa tendencja do tworzenia roztworów różnowęzłowych)
Reguła typów sieci krystalicznej; ta sama sieć - tendencja do tego samego roztworu
Reguła wielkości atomów (r < 1,08, gdy r > 1,15 - roztwory graniczne)
Reguła względnych wartościowości (rozpuszczalność metali o wyższej wartościowości w metalach jednowartościowych jest większa niż metali jednowartościowych w metalach o wartościowości wyższej)