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 per. jest przemianą dyfuzyjną 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 υk. 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 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 bainitu 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. Krytyczna szybkość chłodzenia - najmniej sza szybkość chłodzenia, przy której uzyskamy jeszcze strukturę całkowicie martenzytyczną. Im mniejsza jest szybkość krytyczna tym większa jest hartowność stali. Każda większa od krytycznej dająca też martenzyt nazywa się nadkrytyczną, a każda mniejsza podkrytyczną. Średnica krytyczna to taka średnica materiału, przy której w rdzeniu otrzymujemy strukturę 50% martenzytyczną. Im materiał ma mniejszą szybkość krytyczną, tym średnica materiału jest większa. Na szybkość krytyczna chłodzenia(średnice krytyczna) wpłvwaia dwa czynniki:- zawartość węgla i składników stopowych w austenicie(węgiel i dodatki stopowe, z wyjątkiem kobaltu, zwiększają hartowność)- wielkość ziarna austenitu przed rozpoczęciem chłodzenia(im większe ziarno, tym mniejsza hartowność i większa szybkość chłodzenia)
RODZAJE WYKRESÓW CTP Ilościowe dane dotyczące zależności struktury i własności stali od temperatury i czasu przemiany austenitu przechłodzonego zawierają wykresy CTP - czas-temperatura- przemiana. W zależności od sposobu chłodzenia dla różnych gatunków stali są opracowywane wykresy: CTPi - przy chłodzeniu izotermicznym, CTPc - anizotermiczne przy chłodzeniu ciągłym. WYKRESY IZOTERMICZNE CTPi Na wykresach izotermicznych są podawane linie początku i końca przemiany austenitu w perlit, bainit i martenzyt w zależności od czasu τ przy stałej temperaturze przemiany t 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 chłodzeniuz różnymi szybkościami. 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 . Wykresy CTPc różnych stali umożliwiają również określenie dla nich szybkości krytycznej υk, czyli najmniejszej szybkości chłodzenia z temperatury austenityzowania zapewniającej uzyskanie struktury wyłącznie martenzytycznej. Na wykresie CTPc szybkość krytyczna jest linią chłodzenia przebiegającą stycznie do krzywej początku przemiany austenitu w punkcie najmniejszej trwałości austenitu przechłodzonego Postać wykresów CTP w dużym stopniu zależy od składu chemicznego stali
WYŻARZANIE UJEDNORODNIAJĄCE polega na nagrzaniu stali do temperatury 1050÷1200°C o ok. 100÷200°C niższej od temperatury solidusu, wygrzaniu długotrwałym w tym zakresie temperatury następnym studzeniu. Celem tej operacji, stosowanej głównie dla wlewków stalowych, jest ograniczenie niejednorodności składu chemicznego, spowodowanej mikrosegregacją, a w części także likwacją. WYŻARZANIE REKRYSTALIZUJĄCE polega na nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, wygrzaniu w tej temperaturze i chłodzeniu z dowolną szybkością. Wyżarzanie rekrystalizujące, często stosowane jako międzyoperacyjne podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno, usuwa umocnienie zgniotowe, powodując zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie własności plastycznych metalu co umożliwia dalszą obróbkę plastyczną na zimno.
WYŻARZANIE ODPRĘŻAJĄCE polega na nagrzaniu stali do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym powolnym studzeniu. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń odlewniczych, spawalniczych, cieplnych lub spowodowanych obróbką plastyczną. Wyżarzanie odprężające prawie nie wiąże się z wprowadzaniem zmian strukturalnych. Zakres temperatury i czasu wyżarzania odprężającego jest szeroki; parametry te zależą od rodzaju materiału oraz przyczyn wywołujących naprężenia. W przypadku odlewów staliwnych temperatura może wynosić ok. 650°C. W temperaturze do 150°C jest wykonywane odprężanie stabilizujące, które ma na celu zapewnienie niezmienności wymiarowej oraz zmniejszenie naprężeń własnych. Odprężanie samorzutne - tzw. sezonowanie - zachodzi w temperaturze pokojowej, w czasie wynoszącym kilka lub kilkanaście miesięcy, a niekiedy nawet kilka lat.
WYŻARZANIE NORMALIZUJĄCE polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3, wygrzaniu w tej temperaturze i następnym studzeniu w spokojnym powietrzu. Operacja ta ma na celu uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, a przez to polepszenie własności mechanicznych stali. Jest stosowana do stali niestopowych konstrukcyjnych i staliwa - często przed dalszą obróbką cieplną - w celu ujednolicenia struktury. WYŻARZANIE ZUPEŁNE stosowane do stali stopowych, polega na nagrzaniu stali do temperatury o 30÷50°C wyższej od Ac3, Accm (linia GSE), wygrzaniu w tej temperaturze i następnym bardzo wolnym chłodzeniu, np. z piecem, w zakresie temperatury między Ac3 i Accm a Ac1. Dalsze studzenie może odbywać się w powietrzu. WYŻARZANIE STABILIZUJĄCE polega na doprowadzeniu elementu do temperatury 150°C, wygrzewaniu w tej temperaturze i powolnym schłodzeniu. Jest to proces podobny do odpuszczania niskiego, z tą różnicą, że w tym przypadku wyżarzania stosuje się do niwelowania naprężeń odlewniczych. Wyżarzanie stabilizujące można zastosować przy odlewach narzędzi. WYŻARZANIE SFEROIDYZUJĄCE / wyżarzanie zmiękczające polega na nagrzaniu stali do temperatury zbliżonej do Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze, bardzo wolnym chłodzeniu do temperatury ok. 600°C i następnie dowolnym chłodzeniu do temperatury otoczenia. Wygrzewanie może się odbywać w temperaturze nieco wyższej lub nieco niższej od temperatury Ac1 (przy zmianach temperatury w zakresie } 20°C wokół Ac1), a także z wytrzymaniem izotermicznym poniżej temperatury Ac1, po uprzednim krótkim wygrzewaniu w temperaturze wyższej od Ac1. W wyniku operacji wyżarzania sferoidyzującego strukturę stali stanowi cementyt kulkowy, tzw. sferoidyt, w osnowie ferrytu. Struktura taka zapewnia niewielką twardość, dobrą skrawalność oraz dobrą podatność na odkształcenie plastyczne
ODPUSZCZANIE polega na nagrzaniu stali zahartowanej do temperatury niższej od Ac1, wygrzaniu w tej temperaturze i ochłodzeniu do temperatury pokojowej. W zależności od temperatury odpuszczanie może być: niskie, średnie, wysokie. ODP. NISKIE (odprężające) jest wykonywane w temperaturze 150÷200°C i stosowane głównie dla narzędzi, sprężyn, sprawdzianów. Celem tej operacji jest usunięcie naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie. ODP. ŚREDNIE odbywające się w temperaturze 250÷500°C, jest stosowane do sprężyn, resorów, matryc i innych części maszyn. W wyniku tej operacji twardość stali ulega wprawdzie niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zostają zachowane duża wytrzymałość i sprężystość. ODP. WYSOKIE wykonywane w temperaturze wyższej od 500°C, lecz niższej od Ac1, ma na celu osiągnięcie możliwie dobrych własności plastycznych stali. Stosowane jest między innymi dla elementów maszyn, od których wymagana jest wysoka granica plastyczności Re. OBRÓBKA CIEPLNA jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących polepszenie własności mechanicznych i fizyczno-chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania ośrodka. Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej: obróbkę cieplną zwykłą, obróbkę cieplno-mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno-plastyczną), obróbkę cieplno-chemiczną, obróbkę cieplno-magnetyczną. W przypadku OBRÓBKI CIEPLNEJ ZWYKŁEJ zmiany struktury i własności są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasu. Ulepszenie cieplne - jest to obrobka cieplna polegajaca na zahartowaniu i średnim lub wysokim odpuszczaniu stali. Ulepszanie cieplne materiałów przeprowadza się w celu otrzymania optymalnych własności mechanicznych (wytrzymałościowych i plastycznych), przy jednoczesnym zachowaniu możliwości obróbki skrawaniem. Stosuje się m.in. do części: maszyn okrętowych (np. wałów), samochodów, broni. Utwardzanie cieplne Proces technol. złożony z hartowania i niskiego odpuszczania (w temp. 150-300°C); stosowane gł. do stali narzędziowych w celu uzyskania ich dużej twardości i odporności na ścieranie
HARTOWNOŚĆ STALI nazywamy podatność stali do utwardzania się w głąb przekroju pod wpływem hartowania. Głębokość zahartowania jest ściśle związana z szybkością krytyczną chłodzenia. Podczas chłodzenia część przekroju od strony powierzchni zahartuje się na martenzyt, gdy szybkość chłodzenia jest większa od szybkości krytycznej. Warstwy leżące głębiej, które są oziębiane z szybkością mniejszą od krytycznej, uzyskują budowę nie martenzytyczną lecz strukturę typu perlitycznego. Jeśli natomiast szybkość chłodzenia w środku przekroju pręta będzie większa od szybkości krytycznej ulegnie on zahartowaniu w całym przekroju, tj. na wskroś . MIARA HARTOWNOŚCI jest grubość warstwy martenzytycznej na przekroju hartowanego przedmiotu. W praktyce ocenę hartowności przeprowadza się w oparciu o tzw. średnicę krytyczną, tj. przy której po zahartowaniu uzyskuje się w osiowej części przekroju strukturę o określonej zawartości martenzytu, lecz nie mniejszej od 50%. Średnica krytyczna dla danego gatunku stali jest zależna między innymi od rodzaju ośrodka chłodzącego i im wolniej chłodzi ośrodek tym mniejsza jest średnica krytyczna Stale odznaczające się wysoką hartownością mają grubą warstwę zahartowaną, natomiast stale o niskiej hartowności - cienką warstwę zahartowaną. HARTOWANIE MARTENZYTYCZNE STOPNIOWE podczas … chłodzenie polega na kolejnym: oziębianiu w stopionej soli lub gorącym oleju do temperatury wyższej o 30÷50°C od temperatury Ms, wytrzymaniu w stopionej soli lub gorącym oleju o tej temperaturze, w czasie niezbędnym do wyrównania temperatury w całym przekroju obrabianego przedmiotu lecz zapewniającym trwałość austenitu przechłodzonego, studzeniu, zazwyczaj w powietrzu, do temperatury otoczenia. Hartowanie w podanych warunkach zapewnia uzyskanie struktury stali takiej jak po operacji hartowania martenzytycznego zwykłego przy znacznie mniejszych naprężeniach i odkształceniach cieplnych i strukturalnych. Hartowanie stopniowe jest stosowane do małych i drobnych przedmiotów ze stali niestopowych oraz przedmiotów o złożonych kształtach i zmiennych przekrojach.
HARTOWANIE MARTENZYTYCZNE ZWYKŁE Z CHŁODZENIEM CIĄGŁYM chłodzenie z temperatury austenityzowania wykonuj się w sposób ciągły z szybkością większą od krytycznej, do temperatury niższej od temperatury Ms, a w przypadku wielu stali, np. konstrukcyjnych, niższej nawet od Mf. W praktyce stale niestopowe chłodzi się w wodzie, natomiast stale stopowe mogą być chłodzone wolniej, np. w oleju, w niektórych przypadkach nawet w powietrzu. Oziębianie może się przy tym odbywać w cieczy spokojnej, w cieczy o wymuszonym obiegu lub z wykorzystaniem prasy hartowniczej. Ośrodek chłodzący należy dobierać posługując się wykresami CTPc, tak aby możliwe było ochłodzenie z szybkością większą od krytycznej nie tylko powierzchni, lecz również środka przekroju hartowanego elementu. W wyniku hartowania zwykłego uzyskuje się strukturę martenzytu z austenitem szczątkowym oraz innymi składnikami strukturalnymi, które nie ulegają przemianom podczas obróbki cieplnej, np. z węglikami nierozpuszczonymi w roztworze stałym podczas austenityzowania lub wtrąceniami niemetalicznymi. Stale zahartowane charakteryzują się bardzo dużą twardością - powyżej 60÷65 HRC w zależności od stężenia C - i wysokimi pozostałymi własnościami wytrzymałościowymi oraz niskimi własnościami plastycznymi i dużą kruchością. HARTOWANIE BAINITYCZNE Z PRZEMIANĄ IZOTERMICZNĄ zwanego również hartowaniem izotermicznym, chłodzenie jest wielozabiegowe i polega na kolejnym: oziębianiu austenitu przechłodzonego do temperatury niższej od temperatury przemiany perlitycznej, wytrzymaniu izotermicznym w kąpieli chłodzącej, lub innym ośrodku, o temperaturze wyższej od temperatury Ms, tj. 250÷400°C, w czasie zapewniającym zakończenie przemiany bainitycznej, chłodzeniu do temperatury pokojowej z dowolną szybkością, zwykle w spokojnym powietrzu. Hartowanie z przemianą izotermiczną zapewnia uzyskanie struktury bainitycznej, przy znacznym ograniczeniu naprężeń cieplnych i strukturalnych oraz zmniejszeniu możliwości powstania pęknięć i odkształceń. Hartowanie izotermiczne jest stosowane w przypadku obróbki cieplnej przedmiotów o małych przekrojach oraz dużych przedmiotów ze stali wysokostopowych w czasie obróbki plastycznej na zimno. Jest także prawidłową strukturą stali nadeutektoidalnych przed następnym hartowaniem.