Austenityzowanie - przemiana dyfuzyjna perlit w austenit-celem austenityzowania jest zwykle otrzymanie możliwie jednorodnego oraz drobnoziarnistego austenitu co wpływa z kolei na przebieg przemian podczas chłodzenia.
a) konieczne przegrzanie o DT dla uzyskania napędzającej przemianę DF,
b) powstanie zarodków austenitu na granicy międzyfazowej,
c) rośnięcie zarodków Þ ziarna austenitu niejednorodnego,
d) ujednorodnienie ziaren austenitu,
● na szybkość przemiany (w warunkach grzania ciągłego) wpływa:
- szybkość nagrzewania
- budowa perlitu,
- tym szybciej im drobniejsze płytki w perlicie,
- najwolniej gdy cementyt kulkowy,
w stalach nieetektoidalnych austenityzowanie kończy się
w wyższych temperaturach (muszą ulec rozpuszczeniu
fazy przyeetektoidalne -ferryt lub Fe3CII)
Samorzutny proces rozrostu ziaren austenitu
● początkowo po przemianie ziarna są bardzo drobne
● zwiększenie temperatury lub czasu wygrzewania - rozrost ziaren
● stale gruboziarniste - skłonne do rozrostu ziaren natychmiast (już w g niejednorodnym),
● stale drobnoziarniste - drobne wydzielenia innych faz hamują rozrost ziaren (teoria barier)
(ruch granic dopiero po rozpuszczeniu lub koagulacji tych faz),
Przemiana dyfuzyjna austenit -> perlit
● przemiana eutektoidalna przechłodzonego austenitu:
- izotermiczne wygrzewanie w temp. Ar1 < A1 (przechłodzenie stałe),
- ciągłe chłodzenie (nieprzerwany wzrost przechłodzenia),
● zarodki dwufazowe (na granicach ziaren austenitu) ale nie obie fazy jednocześnie
● rośnięcie zarodka - płytkowa kolonia perlitu
● budowa płytkowa, gdyż zapewnianajwiększą szybkość przemiany,
- późniejsze wyżarzanie - sferoidyzacja
Przemiana perlityczna w stalach nieeutektoidalnych
● w stopach nieeutektoidalnych, w warunkach nierównowagi (znaczne
przechłodzenia) tworzy się perlit drobnopłytkowy o zawartości węgla
odbiegającej od 0,77% nazywany quasi-eutektoidem (quasi-perlitem),
● po przechłodzeniu do temp. Tq nawet w stalach o małej zawartości C
powstaje sam drobnopłytkowy quasi-perlit (twardy i nieciągliwy),
● zjawisko sztucznego zwiększania udziału perlitu w strukturze
wykorzystywane jest, np. w niskowęglowych spawalnych stalach
konstrukcyjnych (przyśpieszone chłodzenie austenitu na powietrzu),
● w stalach zaeutektoidalnych zjawisko to można wykorzystać
do likwidacji Fe3CII ale tracimy np. na skrawalności,
Cechy przemiany perlitycznej w warunkach nierównowagi:
● przemiana dyfuzyjna (dT - rośnięcie zarodka)
● wykazuje okres inkubacji, w którym następuje dyfuzja węgla w austenicie,
● produktem przemiany jest płytkowa mieszanina ferrytu i cementytu,
● zarodki perlitu powstają na granicach ziaren austenitu i wrastają w metastabilny austenit,
● może zachodzić w warunkach izotermicznych oraz podczas ciągłego chłodzenia,
● przebiega do końca,
● im większe przechłodzenie, tym drobniejsze płytki perlitu,
● w stopach nieeutektoidalnych - quasi-eutektoid o zawartości węgla różnej od 0,77%,
(płytkowa mieszanina zajmuje większą objętość w strukturze niż w warunkach równowagi)
Przemiana martenzytyczna
● bezdyfuzyjna przemiana alotropowa austenit - ferryt (tzn. Fe g - Fe a czyli sieci A1 - A2)
- zachowana jest ta sama koncentracja węgla Þ ferryt przesycony węglem (martenzyt),
- warunek: chłodzenie z szybkością większą niż krytyczna (DF, DC = 0)
(ominięcie krzywej początku przemian dyfuzyjnych - uniemożliwienie dyfuzji węgla),
- siłą napędową przemiany jest duża różnica F austenitu i martenzytu w temperaturze Ms,
● przebudowa sieci RSC- RPC w wyniku niewielkich (w stosunku do d) skoordynowanych przesunięć całych
płaszczyzn atomowych w stosunku do pewnych płaszczyzn niezmiennych nazywanych habitus,
- na powierzchni próbki pojawia się relief o kształcie iglastym (płytki lub listwy martenzytu),
- rosną z szybkością rozchodzenia się dźwięku (odkształceń sprężystych) - ok. 105-7 m/s,
- są nachylone względem siebie pod kątem 60 lub 120°,
● przemiana jest atermiczna - wymaga ciągłego obniżania temperatury (większa objętość M niż g),
● ścisły związek orientacji sieci M oraz g - płaszczyzny {111} austenitu stają się płaszczyznami {110} ferrytu,
● granica między płytkami martenzytu oraz austenitem jest koherentna - w jednym ziarnie austenitu powstaje
ogromna ilość płytkowych lub listwowych ziaren martenzytu,
● przemiana martenzytyczna nie zachodzi nigdy do końca,
- temperatura Mf (martensite finish) ma charakter umowny, po jej przekroczeniu pozostaje niewielka ilość austenitu nieprzemienionego (austenit szczątkowy) - wszechstronnie
ściskanego płytkami martenzytu (o większej objętości niż austenit),
- ilość austenitu szczątkowego zależy od szybkości chłodzenia, także przerwanie chłodzenia zwiększa jego ilość,
- wynika to z procesów reologicznych (redystrybucja naprężeń) zachodzących przy dłuższych czasach,
Wpływ zawartości węgla na przebieg przemiany oraz budowę i właściwości martenzytu:
1. Martenzyt (przesycony węglem ferryt) charakteryzuje się zdeformowaną siecią RPC,
- deformacja tetragonalna (c > a) tym większa im więcej węgla,
- tetragonalność jest wynikiem pewnego uporządkowania rozmieszczenia nadmiarowych atomów węgla
w obrębie komórki sieci tak aby wzrost F był jak najmniejszy,
2. Wpływ zawartości węgla na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej,
● od ok. 0,4¸0,5% C temperatura Mf znajduje się poniżej temperatury pokojowej,
● dokończenie przemiany jest możliwe dopiero w temperaturach ujemnych (obróbka podzerowa)
- wzrost kosztów,
- niebezpieczeństwo wypaczeń lub pęknięć przedmiotów,
3. Wpływ zawartości węgla na właściwości martenzytu
● duża twardość oraz nieodkształcalność (plastycznie) Ü odpowiednio duża zawartość węgla
- umocnienie roztworowe Ü silnie przesycony węglem roztwór stały (ferryt),
- umocnienie zgniotowe (wzrost gęstości dyslokacji) Ü zgniot fazowy
(rezultat przyrostu objętości),
- umocnienie granicami ziaren Ü ogromna ilość płytek martenzytu
zamiast jednego ziarna austenitu,
Charakterystyczne cechy przemiany martenzytycznej w stopach żelaza z węglem:
● bezdyfuzyjna, atermiczna, w stalach nieodwracalna - wymaga ciągłego chłodzenia między Ms oraz Mf ,
● polega na skoordynowanym przemieszczeniu atomów bez zmiany sąsiedztwa,
● zachodzi przez ścinanie wg mechanizmu poślizgu lub bliźniakowania,
● produktem przemiany jest martenzyt listwowy lub płytkowy o własnościach zależnych od zawartości węgla
oraz o objętości właściwej większej od objętości austenitu,
● pomiędzy sieciami austenitu i martenzytu zachowana jest ścisła zależność orientacji,
● nigdy nie zachodzi całkowicie (do końca) - pozostaje niewielka ilość ściśniętego austenitu szczątkowego,
● wolne chłodzenie lub izotermiczne wytrzymywanie (między Ms oraz Mf) stabilizuje austenit zwiększając
ilość austenitu szczątkowego,
Martenzyt średnio- i wysokowęglowy (twardy i odporny na ścieranie) był od dawna wykorzystywany:
- w narzędziach,
- na powierzchni części maszyn narażonych na ścieranie,
- jako struktura wyjściowa do dalszej obróbki cieplnej sprężyn i części maszyn.
Ostatnio również w niskowęglowych stalach konstrukcyjnych (ciągliwych, łączonych spawaniem lub
zgrzewaniem) wykorzystuje się wysoką wytrzymałość i granicę plastyczności martenzytu, np. części karoserii.
Bezdyfuzyjna przemiana typu martenzytycznego występuje:
- w wielu metalach i ich stopach, np. metale z pamięcią kształtu (przemiana odwracalna),
- w materiałach ceramicznych, np. zawierających cyrkonię (ZrO2),
- w polimerach i materiałach biologicznych, np. niektórym bakteriom zmiana kształtu pomaga wbić się w skórę,
Przemiana bainityczna
● przemiana w pośrednim zakresie temperatur, między Tm (ok. 550 °C) oraz MS (ok. 200°C),
- charakter bezdyfuzyjno-dyfuzyjny przemiany:
- zbyt mała ruchliwość atomów Fe=bezdyfuzyjna (jak martenzytyczna) przebudowa sieciA1-A2,
- wystarczająca ruchliwość atomów C = w austenicie lub w powstałym iglastym przesyconym ferrycie
bainit-mieszanina iglastego, przesyconego ferrytu oraz drobnych, nieciągłych, płytkowych wydzieleń Fe3C lub węglika e (w niższych temperaturach)
● od temperatury przemiany zależą:
- przesycenie ferrytu,
- przebieg przemiany,
- morfologia struktury,
● umownie wyróżniamy:
- bainit górny (Tm ¸ ~350°C),
- bainit dolny ( ~350°C ¸ MS)
Charakterystyczne cechy przemiany bainitycznej:
● wykazuje okres inkubacji, podczas którego następują dyfuzyjne zmiany zawartości węgla w mikroobszarach g,
● zarodkuje w mikroobszarach uboższych w węgiel oraz rośnie według atermicznej przemiany martenzytycznej,
● wzrost bainitu kontrolowany jest dyfuzja węgla (zależną od temperatury),
● w mikroobszarach bogatszych w węgiel wydzielają się węgliki,
● mechanizm przebiegu przemiany zależy od temperatury (bainit górny i dolny),
● produktem przemiany jest mieszanina: niskowęglowego, częściowo przesyconego ferrytu o dużej gęstości
dyslokacji ferryt bainityczny) oraz cementytu lub węglika e w postaci drobnych płytkowych wydzieleń,
● ferryt bainityczny wykazuje określoną względem austenitu orientację,
Właściwości bainitu:
● bainit górny - struktura ogólnie niekorzystna:
- wytrzymałość oraz twardość (ok. 45 HRC) podobna do drobnopłytkowych struktur perlitycznych,
- ciągliwość jest gorsza (szczególnie pierzastego) - iglasty przesycony ferryt z Fe3C na granicach igieł,
● bainit dolny - struktura często wykorzystywana:
- wytrzymałość oraz twardość (ok. 55 HRC) wyższa niż struktur perlitycznych,
- ciągliwość lepsza niż bainitu górnego,
- morfologia oraz właściwości praktycznie identyczne jak martenzytu odpuszczonego w niskich temperaturach,
Hartowanie - jest zabiegiem cieplnym, któremu poddawana jest stal, składającym się z dwóch bezpośrednio po sobie następujących faz. Pierwsza faza to nagrzewanie do temperatury powyżej przemiany austenitycznej (dla stali węglowej 723°C) (zwykle 30°C do 50°C powyżej temperatury przemiany austenitycznej) i wygrzewanie, tak długo jak to potrzebne, by nastąpiła ona w całej objętości hartowanego obiektu. Drugą fazą jest szybkie schładzanie. Szybkość schładzania musi być taka, by z austenitu nie zdążył wydzielić się cementyt i jego struktura została zachowana do temperatury przemiany martenzytycznej, w której to austenit przemienia się w fazę zwaną martenzytem. Stal posiadająca strukturę martenzytyczną nazywana jest stalą martenzytyczna lub hartowaną. Hartowanie przeprowadza się, by podnieść twardość i wytrzymałość stali. Przy hartowaniu niezwykle istotnym jest dobór szybkości schładzania. Zbyt wolne schładzanie powoduje wydzielanie się cementytu i uniemożliwia przemianę martenzytyczną, podczas gdy zbyt szybkie chłodzenie powoduje powstanie zbyt dużych naprężeń hartowniczych, które mogą doprowadzić do trwałych odkształceń hartowanego elementu lub jego pęknięć. Szybkość schładzania wpływa także na głębokość hartowania. Przy elementach o większych rozmiarach, których grubość przekracza maksymalną głębokość hartowania, tylko część objętości przedmiotu hartowanego zostanie zahartowana. W takiej sytuacji martenzyt powstanie w warstwach powierzchniowych. Im głębiej zaś, tym udział martenzytu maleje, a cementytu wzrasta. Bardzo często jest to zjawisko pożądane, wtedy, gdy element ma być twardy na powierzchni, a ciągliwy w swym rdzeniu. Głębokość hartowania zależy także od hartowności stali.
Odpuszczanie - jest zabiegiem cieplnym, któremu poddawana jest stal wcześniej zahartowana. Celem odpuszczania jest usunięcie naprężeń hartowniczych oraz zmiana własności fizycznych zahartowanej stali, a przede wszystkim zmniejszenie twardości, a podniesienie udarności zahartowanej stali. Odpuszczanie polega na rozgrzaniu zahartowanego wcześniej przedmiotu do temperatury w granicach 150° do 650°C, przetrzymywaniu w tej temperaturze przez pewien czas, a następnie schłodzeniu. W czasie odpuszczania całość lub część martenzytu zawartego w zahartowanej stali rozpada się, wydzielając bardzo drobne ziarna cementytu, tworząc fazę zwaną sorbitem lub troostytem. Rodzaje odpuszczania ze względu na temperaturę: Odpuszczanie niskie -Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 150° do 250°C. Celem jego jest usuniecie naprężeń hartowniczych, przy zachowaniu w strukturze wysokiego udziału martenzytu, a przez to zachowanie wysokiej twardości. Stosuje się przy narzędziach. Odpuszczanie średnie -Przeprowadza się je w temperaturach w granicach 250° do 500°C. Stosowane w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości i sprężystości przy znacznym obniżeniu twardości. Stosowane przy obróbce sprężyn, resorów, części mechanizmów pracujących na uderzenie np. młoty, części broni maszynowej, części samochodowych itp. Odpuszczanie wysokie -Przeprowadza się je w temperaturach powyżej 500°C w celu uzyskania wysokiej wytrzymałości przy niskiej twardości. Stal odpuszczana wysoko nadaje się do obróbki skrawaniem
I stadium - do ok. 200°C (początek wyraźnych zmian zależy od zawartości węgla),
● < 80 ¸ 100°C - przegrupowanie atomów C w martenzycie (bez tworzenia węglików),
początek relaksacji naprężeń,
● ok. 80 ¸ 200°C,
- powstają węgliki przejściowe o dużej dyspersji,
- płytki (koherentne z tetragonalnym ferrytem),
- heksagonalny węglik e (Fe2,4C),
- wg ostatnich badań - rombowy węglik h (Fe2C),
- maleje przesycenie ferrytu (do ok. 0,2%C),
- maleje tetragonalność ferrytu,
- maleją naprężenia (mniejsze przesycenie + relaksacja),
● struktura: martenzyt odpuszczania
(mieszanina lekko przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika e + austenit szczątkowy),
(M + e + gsz)
-morfologia i właściwości podobne do bainitu dolnego,
(Modp trawi się silniej niż MH)
● właściwości:
- Rm , R0,2 , HRC nadal wysokie (prawie bez zmian)
(malejące umocnienie roztworowe zastępowane przez nowe umocnienie wydzieleniowe)
- ciągliwość (K, A, Z) nadal niewielka ale zdecydowanie wyższa niż martenzytu hartowania (MH ),
- gęstość i rozmieszczenie dyslokacji pozostaje (przeszkadza węglik e),
- austenit szczątkowy pozostaje,
II stadium - ok. 200 - 300°C (objętość rośnie Ü zanika austenit szczątkowy),
● przemiana austenitu szczątkowego (przemiana podobna do powstawania bainitu dolnego),
● produkty rozpadu gsz są identyczne jak w przypadku rozpadu martenzytu,
● struktura: nadal nazywana martenzytem odpuszczania
(mieszanina jeszcze mniej przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika e ),
(M + e)
● właściwości:
- Rm , R0,2 , HRC - lekko maleją (wyższa temperatura, mniej przesycony ferryt, mniejsza dyspersja węglika e)
- udarność (K) - od ok. 250°C zaczyna spadać (nieodwracalna kruchość odpuszczania) spowodowana
przypuszczalnie prawie ciągłą otoczką węglika e wzdłuż byłych granic ziaren austenitu,
III stadium - ok. 300 - 400°C (objętość maleje Ü zanika przesycenie ferrytu, zarodkuje cementyt),
● reszta nadmiaru węgla wydziela się z ferrytu,
● zarodkuje cementyt oraz rośnie w postaci ziarenek (niedostrzegalne mikroskopem optycznym),
- zarodkowanie cementytu w ferrycie (wykorzystanie nadmiaru C w ferrycie),
- przekształcenie płytek węglika e w ziarenka cementytu (przemiana węglikowa „in situ”),
- cementyt ma mniejszą F oraz zanika koherencja węglika e w regularnym już ferrycie,
● struktura: troostyt odpuszczania (martenzyt średnio odpuszczony)
(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + niekoherentne ziarenka cementytu),
(Figl + Fe3C)
● właściwości:
- Rm , R0,2 , HRC - szybko maleją
(wartości jednak nadal dość wysokie),
- struktura trawi się silnie i szybko ciemnieje, cementyt ziarnisty (zbyt drobny dla mikroskopu optycznego)
- ciągliwość (K, A, Z) - wolno rośnie
(wartości jednak nadal dość niskie),
IV stadium - ok. 400°C ¸ A1 (koagulacja cementytu oraz rekrystalizacja zgniotu fazowego),
● ziarenka cementytu koagulują - stają się widoczne przy powiększeniach mikroskopu optycznego (> 500x),
● nieprzesycony ferryt do temperatury ok. 650°C zachowuje iglasty pomartenzytyczny kształt,
- ruch granic ferrytu (rekrystalizacja) jest blokowany wydzieleniami drobnego cementytu,
- zgniot fazowy podlega tylko procesom zdrowienia,
● powyżej ok. 650°C następuje ruch granic szerokokątowych - rosną nowe równoosiowe ziarna ferrytu,
- ruch granic ferrytu umożliwia dopiero odpowiednio wysoki stopień koagulacji cementytu,
● struktura:
- do ok. 650°C Þ sorbit odpuszczania (martenzyt wysoko odpuszczony)
(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + skoagulowane ziarenka cementytu),
-powyżej 650°C Þ sferoidyt - po długotrwałym wyżarzaniu
(mieszanina kulkowego cementytu na tle zrekrystalizowanego ferrytu)
● właściwości sorbitu odpuszczania (optymalne skojarzenie wytrzymałości oraz ciągliwości):
- parametry wytrzymałościowe (Rm , R0,2 ) - zdecydowanie wyższe niż dla stanu przed hartowaniem,
- ciągliwość (K, A, Z) - nie gorsza a najczęściej wyższa niż dla stanu wyjściowego (przed hartowaniem),
- twardość (ok. 23 ¸35 HRC) umożliwia jeszcze stosunkowo łatwe skrawanie,
● sorbit odpuszczania jest najczęściej stosowaną strukturą w częściach maszyn,
Wybrane zagadnienia technologii obróbki cieplnej
1. Temperatury nagrzewania przed hartowaniem stali.
Twardość zahartowanej stali: a) twardość martenzytu,
b) hartowanie z nad Acm ,
c) hartowanie z nad A1 ,
● stale przedeutektoidalne: 30 (h. w wodzie) ¸ 50 (h. w oleju) °C nad A3 ,
● stale zaeutektoidalne: 30 (woda) ¸ 50 (olej) °C nad A1 (w celu uniknięcia dużej ilości gsz )
- ale wcześniej odpowiednia postać Fe3CII (najlepiej sferoidyt),
- unikamy konieczności usuwania gsz co wiązałoby się z obniżeniem twardości,
- mniejsze naprężenia własne (niższa temperatura),
(+!!)
- Fe3CII podwyższa odporność na ścieranie,
2. Sposoby hartowania objętościowego.
● problemem jest różnica temperatur powierzchni i rdzenia Þ naprężenia cieplne +
naprężenia po przemianie martenzytycznej,
3. Hartowność oraz sposoby jej oznaczania.
● o właściwościach stali w stanie zahartowanym decydują dwie cechy:
● hartowność - ogólnie: zdolność materiału do utwardzania się w głąb w wyniku oziębiania,
- dla stali: zdolność do tworzenia struktury martenzytycznej podczas chłodzenia od temperatury
austenityzowania (miarą hartowności jest grubość warstwy zahartowanej) - PN-93/H-01200,
- utwardzalność - podatność stali na hartowanie mierzona maksymalną twardością po hartowaniu,
- warunki austenityzowania (temperatura różna dla stali przed- oraz zaeutektoidalnych),
- stężenia węgla w austenicie,
- obecność oraz stężenie dodatków stopowych,
- hartowność (używa się też określenia „przehartowalność”) - zależy od:
- składu chemicznego ( rośnie z zawartością C oraz pierwiastków stopowych - główny cel ich stosowania),
- wielkości ziaren (im większe ziarna tym większa hartowność - tego nie wykorzystujemy !!),
- jednorodności austenitu (im bardziej jednorodny tym większa hartowność),
- obecności nierozpuszczonych faz (obniżają hartowność Ü ułatwiają zarodkowanie i przemiany
dyfuzyjne).
● hartowność jest głównym kryterium doboru stali, np. maszynowych, sprężynowych, narzędziowych,
- wysoka hartowność (kosztowna Ü dodatki stopowe) jest konieczna gdy:
- przedmiot ma tak skomplikowany kształt, że musi być wolno chłodzony przy hartowaniu,
- chcemy zahartować przedmiot odpowiednio głęboko,
● na przekroju hartowanego pręta występują różne prędkości chłodzenia,
- miarą głębokości pełnego zahartowania jest krytyczna szybkość hartowania (vkr),
- parametr ten (vkr) jest zbyt trudny do wykorzystania w praktyce,
- dla ułatwienia wprowadzono pojęcie średnicy krytycznej
Wpływ zawartości węgla na
krytyczną szybkość hartowania,
● określanie hartowności metodą chłodzenia od czoła - metoda Jominy'ego,
- znormalizowane urządzenie, próbka oraz warunki próby Ü powtarzalność i dokładność wyników,
próbka dla stali
o średnich vkr
- założono, że szybkość chłodzenia w określonych odległościach od czoła jest jednakowa dla
większości stali niestopowych oraz niskostopowych o średnich wartościach vkr
- wynikiem próby jest krzywa hartowności, tzn. zależność: HRC = f (odległości od czoła),
(opracowano proste i powtarzalne metody jej wyznaczania),
● wpływ ilości martenzytu w środku przekroju na właściwości części maszyn,
● niejednorodna struktura na przekroju (za mało martenzytu):
- mniejsza wytrzymałość zmęczeniowa,
- mniejsza ciągliwość (udarność),
nieprawidłowa struktura dla części
silnie i bardzo silnie obciążonych, Þ
(niejednorodność zostaje po odpuszczaniu)