MECHANIZM POŚLIZGU

Podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego metali jest poślizg. Polega on na wzajemnym przemieszczaniu się jednej części kryształu

względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunku

poślizgu. Budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje niezmieniona.

SYSTEMY POŚLIZGU

Przemieszczanie się dyslokacji podczas poślizgu odbywa się w określonych systemach poślizgu hkl, uvw>, tzn. w płaszczyznach poślizgu hkl i kierunkach poślizgu uvw> Płaszczyznami i kierunkami poślizgu są najczęściej płaszczyzny sieciowe i kierunki o najgęstszym ułożeniu atomów. W przypadku zablokowania poślizgu w tych płaszczyznach poślizg może zachodzić w płaszczyznach o mniej gęstym ułożeniu atomów.

LINIE I PASMA POŚLIZGU

W wyniku poślizgu przemieszczeniu ulegają warstwy metalu oddalone o 101000 średnic atomowych, tworząc tzw. linie poślizgu. Dalsze odkształcenie plastyczne jest związane z tworzeniem nowych linii poślizgu, nie zaś z dalszym poślizgiem wzdłuż linii istniejących. W wyniku odkształcenia plastycznego przez poślizg w temperaturze podwyższonej powstają pasma poślizgu złożone z kilku do kilkunastu równoległych linii poślizgu oddalonych od siebie o około 100 średnic atomowych. W niektórych kryształach, najczęściej o sieci typu A2, występuje pofałdowanie linii poślizgu, świadczące o jednoczesnym poślizgu w różnych systemach. W wyniku działania mechanizmu poślizgu następuje odkształcenie plastyczne metali na zimno i na gorąco. W niskiej temperaturze mechanizm ten jest ograniczony, przede wszystkim w metalach o sieci typu A2.

MECHANIZM BLIŹNIAKOWANIA

W przypadku zahamowania poślizgu, zwłaszcza w metalach o sieciach A2 i A3, mechanizmem odkształcenia plastycznego o dużym znaczeniu może być bliźniakowanie. Bliźniakowanie polega na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania. Zbliźniaczona część kryształu ulega skręceniu względem części nieodkształconej w taki sposób, że ich struktury krystaliczne są symetryczne osiowo względem płaszczyzny bliźniakowania (stanowią odbicie lustrzane).

BLIŹNIAKI MECHANICZNE I ŻARZENIA

Bliźniakowanie tzw. mechaniczne - podobnie jak poślizg - jest dyslokacyjnym

mechanizmem odkształcenia plastycznego, a bliźniaki mechaniczne wykazują koherentną

granicę z nieodkształconą osnową (rys. 4.23). W czasie wyżarzania

w temperaturze powyżej temperatury rekrystalizacji mogą się tworzyć tzw. bliźniaki

żarzenia - bardzo często w kształcie soczewek, wykazujące półkoherentną granicę bliźniaczą.

MECHANIZM ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNEGO POLIKRYSZTAŁÓW NA ZIMNO

Przypadkowa orientacja krystalograficzna ziarn i blokujące działanie granic ziarn, zwłaszcza szerokokątowych, decydują o jednoczesnym odkształceniu plastycznym w licznych systemach poślizgu. Odkształcenie plastyczne polikryształów rozpoczyna się w ziarnach o systemie poślizgu zorientowanym zgodnie z kierunkiem przyłożenia obciążenia, jeszcze przed osiągnięciem makroskopowej granicy plastyczności. Przed granicami ziarn następuje wówczas spiętrzenie dyslokacji jednoimiennych. Powoduje to wytworzenie naprężenia wstecznego - skierowanego

przeciwnie do przyłożonego obciążenia. W wyniku niejednoczesnego zapoczątkowania odkształcenia plastycznego w ziarnach o różnej orientacji krystalograficznej krzywa rozciągania poniżej makroskopowejgranicy sprężystości ma charakter paraboliczny. Po osiągnięciu makroskopowej granicy plastyczności odkształcenie plastyczne następuje we

wszystkich ziarnach. Odkształcenie plastyczne występuje nierównomiernie w wyniku rozprzestrzeniania się fal plastycznych - tzw. pasm Lüdersa. Wskutek działania odkształcenia

plastycznego spiętrzenia dyslokacji w jednych ziarnach uaktywniają źródła dyslokacji w ziarnach sąsiednich i wywołują oddziaływanie dyslokacji z błędami ułożenia i dyslokacjami w innych systemach poślizgu. Wpływa to na zwiększenie umocnienia zgniotowego. Zwiększenie odkształcenia powoduje nasycenie ziarn dyslokacjami o dużej gęstości i utworzenie w ziarnach komórkowej podstruktury dyslokacyjnej, a nawet podziarn.

GRANICA PLASTYCZNOŚCI

Granicą plastyczności jest nazywane naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego we wszystkich ziarnach. Metale często wykazują górną i dolną granicę plastyczności.

Górna granica plastyczności najczęściej jest wyjaśniana odrywaniem się dyslokacji

od tzw. atmosfer Cottrella, tj. atmosfer atomów obcych, np. C lub N, usytuowanych w pobliżu jądra dyslokacji.

Dolna granica plastyczności zwiększa się wraz ze zmniejszeniem wielkości

ziarn, zgodnie z równaniem Halla-Petcha:

gdzie:

0 - naprężenie tarcia sieci

k - stała,

d - średnica ziarn.

ZGNIOT I TEKSTURA ZGNIOTU

Stan strukturalny spowodowany odkształceniem plastycznym na zimno jest nazywany zgniotem. Znaczne odkształcenie plastyczne powoduje uprzywilejowaną orientację krystalograficzną ziarn względem kierunku i płaszczyzny obróbki plastycznej, zwaną teksturą zgniotu. Tekstura zgniotu decyduje o anizotropii własności mechanicznych i fizycznych metali obrobionych plastycznie na zimno. Metale odkształcone plastycznie na zimno z dużym stopniem gniotu wykazują strukturę

włóknistą o znacznej wartości stosunku długości ziarn do ich średnicy.

MECHANIZM ZDROWIENIA STATYCZNEGO

Zdrowienie statyczne jest procesem aktywowanym cieplnie, zachodzącym podczas wyżarzania poniżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych plastycznie na zimno. Proces ten jest związany ze zmniejszeniem stężenia defektów punktowych, gęstości dyslokacji oraz zmianami w ich przestrzennym rozmieszczeniu. Podczas zdrowienia następuje dyfuzja i anihilacja (likwidowanie) defektów punktowych, poślizg i wspinanie dyslokacji, anihilacja dyslokacji różnoimiennych, kurczenie się i zanik pętli dyslokacyjnych.

POLIGONIZACJA

Procesy zdrowienia wiążą się z poligonizacją, która w zależności od liczby systemów poślizgu działających podczas uprzedniego odkształcenia plastycznego na zimno, może być:

-prostą formą poligonizacji,

-złożoną formą poligonizacji.

Procesy zdrowienia wiążą się z prostą formą poligonizacji w przypadku gdy podczas uprzedniego odkształcenia plastycznego na zimno działa tylko jeden system poślizgu.

Prosta forma poligonizacji jest procesem aktywowanym cieplnie i polega na tworzeniu

się niskokątowych granic daszkowych w wyniku przegrupowania się do nich nadmiaru dyslokacji jednoimiennych.

Jeżeli odkształcenie plastyczne na zimno wiąże się z poślizgiem w wielu systemach, proces zdrowienia zachodzący podczas wyżarzania jest złożoną formą poligonizacji. W czasie wyżarzania wzrastają wówczas komórki dyslokacyjne o małej gęstości dyslokacji - utworzone podczas odkształcenia plastycznego na zimno - otoczone ściankami o dużej gęstości dyslokacji. W wyniku złożonej formy poligonizacji powstają podziarna o małej gęstości dyslokacji i ściankach stanowiących niskokątowe granice złożone daszkowe i skrętne (rys. 4.25eh).

REKRYSTALIZACJA

Rekrystalizacja statyczna jest procesem aktywowanym cieplnie, zachodzącym podczas wyżarzania powyżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych plastycznie na zimno i polega na powstawaniu i migracji szerokokątowych granic ziarn. Do zainicjowania rekrystalizacji w czasie wyżarzania metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno niezbędny jest pewien minimalny stopień odkształcenia, zwany gniotem krytycznym. Po odkształceniu ze stopniem gniotu mniejszym od krytycznego rekrystalizacja nie występuje. Rekrystalizacja zachodziprzez:

-zarodkowanie,

-wzrost ziarn.

ZARODKI REKRYSTALIZACJI I MECHANIZMY ZARODKOWANIA

Zarodki rekrystalizacji powstają heterogenicznie w obszarach o największej krzywiźnie sieci. Z tego względu zarodkowanie następuje najczęściej w obszarach o dużym gradiencie odkształcenia, w pobliżu granic ziarn, dużych cząstek innych faz wydzielonych w osnowie, powierzchni swobodnych, w pasmach poślizgu i ścinania oraz obszarach przecięć bliźniaków odkształcenia. Zarodkowanie polega na:

-wzroście podziarn,

-migracji odcinków szerokokątowych granic ziarn pierwotnych.

Zarodkowanie przez wzrost podziarn ma miejsce głównie wtedy, gdy wewnątrz ziarn występują obszary silnie zdefektowane o znacznych krzywiznach sieci i o dużej energii zmagazynowanej, wykazującej duże gradienty. Ma to miejsce w przypadku małych, lecz znacznie zróżnicowanych co do wielkości podziarn i zróżnicowanych kątów dezorientacji między sąsiednimi podziarnami. Zarodkowanie przez wzrost podziarn może przebiegać wskutek:

-migracji granic podziarn powstałych podczas poligonizacji, jeżeli tworzą one z osnową granicę szerokokątową i wykazują promień większy od krytycznego

-wzrostu podziarn utworzonych w wyniku koalescencji (łączenia sąsiednich podziarn), jeżeli osiągają one wielkość krytyczną i granicę szerokokątową z otaczającą osnową.

Koalescencja polega na wspinaniu dyslokacji oraz obrocie jednego

z sąsiadujących podziarn.

REKRYSTALIZACJA PIERWOTNA

Energia zmagazynowana w odkształconym metalu jest siłą napędową wzrostu nowych ziarn z zarodków rekrystalizacji kosztem odkształconej osnowy. Proces ten, polegający na migracji szerokokątowych granic zarodków rekrystalizacji, jest nazywany rekrystalizacją pierwotną i trwa aż do chwili, gdy zrekrystalizowane ziarna obejmą całą objętość uprzednio odkształconego plastycznie metalu.

TEMPERATURA REKRYSTALIZACJI

Rekrystalizacja przebiega w temperaturze wyższej od temperatury rekrystalizacji. Temperatura rekrystalizacji jest pojęciem umownym i nie opisuje własności fizycznej metali, jest bowiem uzależniona między innymi od stopnia gniotu, sposobu, temperatury i szybkości odkształcenia plastycznego, czasu wyżarzania, wielkości ziarna odkształconego metalu. Zwykle temperatura homologiczna rekrystalizacji jest zawarta w przybliżeniu w przedziale 0,350,6, a zatem temperatura rekrystalizacji TR w skali bezwzględnej wynosi:

PEŁZANIE DYSLOKACYJNE

Mechanizmem odkształcenia plastycznego o dużym znaczeniu dla obróbki plastycznej na gorąco jest pełzanie dyslokacyjne. W procesie tym w ślad za odkształceniem plastycznym na gorąco przebiegają dynamiczne procesy aktywowane cieplnie, usuwające częściowo lub niemal całkowicie skutki umocnienia zgniotowego, tj.:

-zdrowienie dynamiczne,

-rekrystalizacja dynamiczna.

Pełzanie dyfuzyjne

Poza poślizgiem dyslokacyjnym i bliźniakowaniem oraz pełzaniem dyslokacyjnym, związanym głównie ze wspinaniem dyslokacji, pozostałe mechanizmy odkształcenia plastycznego metali nie są zwykle wykorzystywane podczas obróbki plastycznej (rys. 4.20). Występują natomiast jako niekontrolowane i niepożądane procesy niszczenia metali, decydując np. o pełzaniu metali i wykonanych z nich przedmiotów (porównaj rozdz. 5.7). Wyjątek stanowi tzw. odkształcenie nadplastyczne - wykorzystywane w niektórych przypadkach nawet na skalę przemysłową. Przebiega ono w wysokich temperaturach, z bardzo małymi szybkościami odkształcenia,

a stopień odkształcenia sięga kilkuset procent.

MECHANIZM POŚLIZGU PO GRANICACH ZIARN

Poślizgu po granicach ziarn nie ujęto na mapie mechanizmów odkształcenia plastycznego ze względu na jego ograniczone znaczenie. Mechanizm ten - dominujący, gdy temperatura odkształcenia plastycznego jest większa od 0,4 temperatury topnienia - nie jest dotychczas dokładnie zbadany. Poślizg po granicach ziarn polega na przesuwaniu się i obrotach ziarn wzdłuż ich granic szerokokątowych. Poślizg po granicach ziarn w polikryształach odkształcanych plastycznie na gorąco jest wyłącznie skutkiem ruchu wzdłuż granic ziarn dyslokacji granic ziarn lub dyslokacji sieciowych. Dyslokacje sieciowe zablokowane przez granice ziarn wywołują ruch dyslokacji granic ziarn lub dyslokacji sieciowych, które uszły do granicy. Dyslokacje sieciowe spiętrzają się przed granicami ziarn, szczególnie w niższej temperaturze homologicznej. Naprężenie efektywne wywołujące zmianę stężenia wakansów wokół spiętrzeń dyslokacji oraz dyslokacji granic ziarn jest równe n”, nie zaś . Wartość wskaźnika n” w obszarze spiętrzenia dyslokacji zależy od średniej wielkości podziarn, których wielkość również jest zależna od przyłożonego naprężenia, nie zależy natomiast od wielkości ziarn.

KLASYFIKACJA PRZEMIAN

W stali nagrzanej do temperatury austenityzowania, podczas wolnego chłodzenia zachodzą przemiany zgodnie z wykresem równowagi faz żelazo-cementyt. Znacznie większe szybkości chłodzenia stosowane w praktyce powodują przesunięcie przemian do niższej temperatury. W czasie chłodzenia austenitu, w zależności od szybkości chłodzenia i temperatury przechłodzenia, mogą zachodzić przemiany:

-martenzytyczna,

-bainityczna,

-perlityczna.

MECHANIZM PRZEMIANY MARTENZYTYCZNEJ

Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu

austenitu do temperatury Ms, początku tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejszej nawet od ok. 200°C, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej k. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie α. Przemiana martenzytyczna zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany Ms, do temperatury Mf jej końca. Wartości temperatury Ms i Mf zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al

i Co. Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się od utworzenia w austenicie embrionów, tj. zarodków pierwotnych, którymi mogą być błędy ułożenia, źródła Franka-Reada, defekty sieciowe w austenicie, w tym pętle dyslokacji i równolegle ułożone dyslokacje śrubowe. Zarodkami przemiany martenzytycznej są embriony, które przekraczają wielkość krytyczną. Z upływem czasu przemiany następuje autokataliza polegająca na przyspieszeniu zarodkowania. Tworzące się zarodki odkształcają bowiem otaczającą osnowę i sprzyjają powstawaniu nowych zarodków.

W wyniku przemiany martenzytycznej w stalach mogą utworzyć się dwa rodzaje martenzytu:

-listwowy,

-płytkowy.

Martenzyt listwowy powstaje we wszystkich niemal stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi i cechuje się dużą gęstością dyslokacji wewnątrz kryształów wykazujących najczęściej komórkową podstrukturę dyslokacyjną.

Martenzyt płytkowy powstaje w nielicznych stopach żelaza w ściśle określonych zakresach

stężenia pierwiastków stopowych. Kryształy martenzytu mają kształt płytek zbliżonych do soczewek o powierzchni w różnym stopniu nieregularnej w zależności od stopnia zbliźniaczenia.

MECHANIZM PRZEMIANY BAINITYCZNEJ

Przemiana bainityczna łączy w sobie cechy przemiany bezdyfuzyjnej i dyfuzyjnego przemieszczania węgla. Zachodzi przy przechłodzeniu stali do temperatury w zakresie ok. 450200°C. W wyniku przemiany powstaje bainit, będący mieszaniną ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików. Zarodkowanie kainitu rozpoczyna dyfuzyjne przemieszczanie węgla w austenicie do granic ziarn i dyslokacji. Zarodkami przemiany są miejsca ubogie w węgiel, utworzone w pobliżu granic ziarn i dyslokacji. Zróżnicowanie składu chemicznego austenitu wymaga pewnego czasu inkubacji, niezbędnego do zainicjowania przemiany bainitycznej. W obszarach przechłodzonego austenitu o małym stężeniu węgla i wysokiej temperaturze Ms zachodzi bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna. Wobszarach austenitu o dużym stężeniu węgla następuje jednocześnie dyfuzyjny proces wydzielania bardzo drobnych cząstek cementytu o dużej dyspersji. W wyniku tego tworzą się nowe obszary niskowęglowego austenitu, ulegające następnie bezdyfuzyjnej przemianie martenzytycznej. W obszarach, które uległy przemianie martenzytycznej, podczas dalszego chłodzenia następuje wydzielanie cementytu oraz węglika , a osnowa staje się ferrytem przesyconym węglem. Rozrost bainitu jest kontrolowany szybkością dyfuzji węgla w austenicie, a nie szybkością przemiany martenzytycznej.

W zależności od temperatury przechłodzenia rozróżnia się:

-bainit górny,

-bainit dolny.

Bainit górny składa się z ziarn przesyconego węglem ferrytu o nieregularnych kształtach z nieregularnymi wydzieleniami węglików oraz z austenitu szczątkowego.

Bainit dolny składa się z przesyconego węglem ferrytu o postaci listwowej, zbliżonego do martenzytu, płytkowych węglików w równoległych rzędach, ściśle zorientowanych względem listew ferrytu oraz z austenitu szczątkowego.

MECHANIZM PRZEMIANY PERLITYCZNEJ

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu nieznacznie poniżej temperatury Ar1. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Siłą pędną przemiany perlitycznej jest różnica energii swobodnej austenitu i mieszaniny ferrytu i cementytu. Przemiana perlityczna jest przemianą dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzącą przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków. Zarodkowanie perlitu odbywa się heterogenicznie, czyli w sposób uprzywilejowany, na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednorodnym austenicie - na granicach ziarn tej fazy. Wzrost płytki cementytu bogatej w węgiel powoduje znaczne zmniejszenie stężenia węgla w austenicie do wartości C, umożliwiającej powstanie płytki ferrytu. W wyniku ograniczonej rozpuszczalności węgla w ferrycie jego nadmiar wzbogaca austenit w pobliżu utworzonej płytki ferrytu, umożliwiając tworzenie kolejnej płytki cementytu (rys. 4.62b). Proces kolejnego dobudowywania płytek trwa aż do wyczerpania się austenitu.

WYKRESY IZOTERMICZNE CTPi

Na wykresach izotermicznych są podawane linie początku i końca przemiany austenitu w perlit, bainit i martenzyt w zależności od czasu  przy stałej temperaturze przemiany t (rys. 4.66a). Czas rozpoczęcia i zakończenia każdej przemiany odczytuje się z wykresu przez zrzutowanie na oś czasu punktów przecięcia krzywych początku i końca przemiany przez prostą odpowiadającą danej temperaturze. Wykresy CTPi sporządza się określając stopień przemiany przy danej temperaturze metodą dylatometryczną, magnetyczno-indukcyjną, elektryczną lub metalograficzną.. Wykresy CTPi opracowane dla różnych stali są wykorzystywane do określenia temperatury i czasu wygrzewania podczas wyżarzania izotermicznego oraz wychładzania w kąpieli solnej przy hartowaniu izotermicznym lub stopniowym.

WYKRESY ANIZOTERMICZNE CTPc

Wykresy CTPc charakteryzują przemiany austenitu przechłodzonego przy chłodzeniu z różnymi szybkościami (rys. 4.66b). Otrzymuje się je w wyniku badań metodą dylatometryczną, na dylatometrach bezwzględnych. Temperatury początku i końca poszczególnych przemian i odpowiadające im czasy odczytuje się przez rzutowanie odpowiednio na osie temperatury lub czasu punktów przecięcia krzywych szybkości chłodzenia z krzywymi początku i końca przemiany. Wykresy CTPc znalazły zastosowanie do ustalenia struktury i twardości stali hartowanej, normalizowanej lub poddanej wyżarzaniu zupełnemu. W celu określenia struktury i twardości stali na podstawie wykresów CTPc, w zależności od warunków chłodzenia z temperatury austenityzowania, można posłużyć się wykresami zmian temperatury prętów o różnych średnicach, chłodzonych w różnych ośrodkach

DEFINICJA I KLASYFIKACJA WYŻARZANIA

Wyżarzanie to operacja zwykłej obróbki cieplnej polegająca na nagrzaniu stali do określonej temperatury wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi. Wyżarzanie można sklasyfikować na operacje:

-podczas których przemiany alotropowe nie decydują o istocie procesu (jak

w przypadku wyżarzania ujednorodniającego),

-podczas których nie zachodzą przemiany alotropowe (wyżarzanie rekrystalizujące,

odprężające),

-podczas których zachodzą przemiany alotropowe, decydujące o końcowej

strukturze (wyżarzanie normalizujące, zupełne, izotermiczne, sferoidyzujące).

TEMPERATURA AUSTENITYZOWANIA

Temperatura austenityzowania w przypadku stali węglowych podeutektoidalnych jest o 3050°C wyższa od temperatury Ac3. Wyższa temperatura austenityzowania powoduje nadmierny rozrost ziarn austenitu, co decyduje o uzyskaniu struktury martenzytu grubolistwowego w wyniku hartowania, powodującej pogorszenie własności mechanicznych i użytkowych oraz zwiększenie kruchości stali. Stale węglowe nadeutektoidalne austenityzuje się w temperaturze o 3050°C wyższej od Ac1,3. Podwyższenie temperatury austenityzowania powoduje pogorszenie własności martenzytu oraz wystąpienie siatki cementytu wtórnego na granicach ziarn austenitu pierwotnego, co - ze względu na bardzo dużą kruchość - dyskwalifikuje przedmiot tak obrobiony cieplnie. Stale stopowe, zwłaszcza narzędziowe klasy nadeutektoidalnej lub ledeburytycznej,

w tym szybkotnące, są austenityzowane w temperaturze znacznie wyższej. Dopiero w takich warunkach następuje rozpuszczanie węglików w austenicie i nasycenie go węglem oraz pierwiastkami stopowymi, co umożliwia uzyskanie wymaganych własności po całkowicie wykonanej obróbce cieplnej.

DEFINICJA I KLASYFIKACJA NAGRZEWANIA POWIERZCHNIOWEGO

Hartowanie powierzchniowe polega na szybkim nagrzaniu warstwy wierzchniej przedmiotu do temperatury hartowania i następnie szybkim chłodzeniu.

Hartowanie powierzchniowe umożliwia ograniczenie nagrzewania do cienkiej warstwy powierzchniowej i to jedynie w miejscach, które powinny być obrobione cieplnie. Nie wywołuje więc dużych naprężeń i odkształceń cieplnych. Hartowanie powierzchniowe umożliwia automatyzację i mechanizację procesów technologicznych obróbki cieplnej.

W zależności od sposobu nagrzewania można wyróżnić następujące rodzaje hartowania powierzchniowego:

-indukcyjne,

-płomieniowe,

-laserowe,

-kąpielowe,

-kontaktowe,

-elektrolityczne,

-impulsowe.

PRZESYCANIE

Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do temperatury wyższej o ok. 3050°C (temperatura tp dla stopu I na rys. 4.79) od granicznej rozpuszczalności w celu rozpuszczenia wydzielanego składnika (w stalach najczęściej cementytu trzeciorzędowego) w roztworze stałym, wygrzaniu w tej temperaturze i następnie szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycania stop uzyskuje strukturę jednofazową. W przypadku stali austenitycznych strukturę stanowi austenit przesycony węglem.

Własności wytrzymałościowe stali po przesycaniu ulegają wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zwiększają się własności plastyczne.

STARZENIE

Starzenie polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. W czasie starzenia następuje wydzielanie w przesyconym roztworze stałym składnika znajdującego się w nadmiarze, w postaci faz o wysokiej dyspersji. W niektórych przypadkach starzenie zachodzi z udziałem faz pośrednich oraz stref Guiniera-Prestona, będących kompleksami, w których segregują atomy rozpuszczone w sieci rozpuszczalnika. Starzenie powoduje umocnienie, przejawiające się zwiększeniem własności wytrzymałościowych i zmniejszeniem własności plastycznych. Przebieg starzenia - jako procesu dyfuzyjnego - zależy od czasu i temperatury. Gdy temperatura jest zbyt wysoka, występuje efekt przestrzenia.

POJĘCIE HARTOWNOŚCI

Podatność stali na hartowanie, zwana hartownością, jest wyrażana zależnością przyrostu twardości w wyniku hartowania od warunków austenityzowania i szybkości chłodzenia. Ohar towności stali współdecydują:

-utwardzalność,

-przehartowalność.

ŚREDNICA KRYTYCZNA

Miarą przehartowalności stali jest krytyczna szybkość hartowania lub średnica krytyczna Dn, tj. średnica pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o określonej intensywności chłodzenia w osi przekroju poprzecznego obrabianego elementu uzyskuje się strukturę złożoną z co najmniej n % martenzytu (indeks n odpowiada udziałowi martenzytu w strukturze podanemu w %, np. D80 lub D50). Średnica D50 jest nazywana średnicą półmartenzytyczną.

POJĘCIE ODPUSZCZALNOŚCI

Reagowanie struktur utworzonych z przechłodzonego austenitu na odpuszczanie jest nazywane odpuszczalnością. Zwykle pojęcie odpuszczalności ogranicza się do ujmowania zależności twardości od temperatury odpuszczania przy stałym czasie tej operacji. Wykresy przedstawiające te zależności dla poszczególnych gatunków stali są publikowane w technicznej literaturze i kartach materiałowych. Odpuszczalność zależy od struktury stali po hartowaniu i jest ściśle związana z temperaturą i czasem odpuszczania.

DYFUZJA

Dyfuzja jest aktywowanym cieplnie procesem zachodzącym wskutek ruchu atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania stężenia składników. Warunkiem przebiegu dyfuzji jest rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka nasycającego w metalu osnowy. Dyfuzję opisują prawa Ficka, które mają jednak ograniczone zastosowanie. Ilościowy opis dyfuzji jest bowiem bardzo skomplikowany i możliwy tylko przy licznych założeniach upraszczających. Ogólnie można stwierdzić, że procesy dyfuzji są zależne od temperatury, czasu i gradientu stężenia dyfundujących pierwiastków. Od czynników tych zależy zatem grubość i struktura

warstw powierzchniowych otrzymanych w wyniku obróbki cieplno-chemicznej.

Nawęglanie polega na nasycaniu warstwy powierzchniowej stali w węgiel podczas wygrzewania obrabianego przedmiotu w ciągu określonego czasu w ośrodku zawierającym węgiel atomowy. Nawęglanie odbywa się najczęściej w temperaturze 900÷950°C. O grubości warstwy nawęglonej, która zwykle osiąga 0,5÷2 mm, decyduje czas nawęglania, który dobiera się tak, aby skład fazowy warstwy powierzchniowej odpowiadał strukturze stali eutektoidalnej.

---