PRZEMIANY FAZOWE W STOPACH METALI

2.1. Przemiany w stanie stałym

Podstawš obróbki cieplnej sš przemiany fazowe dokonujšce się w stanie sta-

łym. W zależnoœci 0d odległoœci, na które się przemieszczajš atomy podczas

przemiany, dzieli się je na przemiany dyfuzyjne i bezdyfuzyjne. W przernianach

dyfuzyjnych jest koniecwe przemieszczanie się atomów na duże odległoœci,

a więc istotnš rolę, oprócz temperatury, odgrywa w nich czas. Przemiany te za-

chodzš przez zarodkowanie i dalszy wzrost zArodków. Zarodkowanie w prze-

mianach dyfuzyjnych 1a takie podstawy termodynarniczne jak zarodkowanie

podczas krystalizacji. Na skutek fluktuacji energii tworZĽ się zArodki, które mo-

gš wzrastać po przekroczeniu wymiaru większego 0d krytycznego. Siłš napę-

dowš przemiany jest różnica energii swobodnej ~F wywołana przechłodzeniem

lub przegrzaniem stopu w porównaniu z temperaturš równowagi. Występujš

pewne różnice w tworzeniu zarodków i wzroœcie nowej fazy podczas chłodzenia

oraz nagrzewania (rys. 1). Podczas chłodzenia prawdopodobieństwo utworzenia

zarodka i wzrostu nowej fazy zwiększa się z przechłodzeniem, natomiast jedno-

czeœnie maleje współczynnik dyńI~i D. Istnieje więc pewne przechłodzenie, dla

którego prędkoœć przemiany v jest największa (w stali oclpowiacla to

temperatury najmniejszej trwałoœci austenitu). Poclczas nagrzewania oba

niki clecyclujšce 0 przemianie (prawclopodobieństwo zaroclkowania i współccyn-

nik clyfuzji) clziałajš w jeclnym kierunku, co powoduje, że w wyniku przegrzania

przemiana cl0konuje się znacznie szybciej (nie uclaje się uzyskać clużego prze-

gRzANIA stopu powyżej temperatury równowagi).

Przemiany bezclyfuzyjne przebiegajš przy clużych przechłoclzeniach, ze

znacznš pręclkoœciš i bez zmiany skłaclu chemicznego faz.

2.2. Charakterystyka przemian fazowych w stali

W obróbce cieplnej stali istotne znaczenie majš cztery podstawowe prze-

miany zależnie 0d roclzaju fazy wyjœciowej, kierunku i szybkoœci zmiany tempe-

ratury (rys. 2):

. przerniana dyfuzyjna podczas nagrzewania (austenityzowanie),

. przemiana clyfuzyjna w czasie chłoclzenia (wyżarzanie),

. przemiana bezclyfuzyjna podczas chłodzenia (hartowanie),

. przemiany clyfuzyjne martenzytu (odpuszczanie).

Przemiana perlitu w austenit. Jest poclstawowš przemianš w stali poclczas

nagrzewania, majšcš również cluży wpływ na przebieg pozostatych przemian.

Wyróżnia się wjej przebiegu etapy (rys. 3):

. tworzenia austenitu niejednorodnego,

. tworzenia austenitu jednorodnego,

. rozrostu ziam austenitu.

Po nagrzaniu stali do temperatury powyżej Acl , w której austenit A 1a

mniejszš energię swoboclnš niż perlit P, następuje przemiana P ~ A. Zarodko-

i~'anie austenitu następuje heterogenicznie na granicach mięclzyfazowych ferryt-

-cementyt. Jest tym intensywniejsze, im clrobniejszy jest perlit (cluża liczba za-

roclków, mała clroga clyfuzji) oraz im większe jest przegrzanie (zwykle 30-

-50°C). W rnikrostrukturze stali podeutektoidalnej i nadeutektoidalnej oprócz

perlitu znajcluje się jeszcze odpowiednio wolny ferryt lub cementyt. fazy te

rozpuszczAjš się po nagrzaniu powyżej temperatury Ac3 lub Accm.

Po zakończeniu przemiany perlitu (perlitu i ferrytu lub perlitu i cementytu)

w austenit clalsze obniżenie energii swobodnej może nastšpić przez zmniejsze-

nie ogólnej powierzchni granic ziam, co prowadzi do rozrostu ziarn austenitu

(rys. 4a). Znajomoœć tego zjawiska jest niezbędna w obróbce cieplnej, gclyż

materiaty gruboziarniste charakteryzujš się w temperaturze pokojowej małš

wytrzymałoœciš, plastycznoœciš i szczególnie małš udamoœciš.

Bezpoœrednio po zakończeniu przemiany, w czasie nagrzewania,

si~ drobne ziamo austenitu. ChłodZĽc stal z tego zakresu temperatury,

si~ rozdrobnienie ziam (rys. 4a - wyżarzanie normalizujšce).

temperatury i zwi~kszenie czasu austenityzowania sprzyja rozrostowi

Proces ten w dużym stopniu zależy 0d rodzaju stali (poœrednio 0d składu

micmego). Obecnoœć dyspersyjnych czšsteczek obcych

gracj~ granic i zabezpiecza stal przed rozrostem ziarn (stal

z rnikrododatkarni niobu,

Dopiero przegrzanie powyżej temperatury 950- 1000°C

czeniu czšsteczek dyspersyjnych, gwałtowny rozrost ziarn stali.

rozrostu ziarn zaraz po przekroczeniu temperatury przemiany (stal

procesu rozrostu ziam austenitu wymusiła opracowanie wzorców i metod

ich rozrniarów, np.:

. ~toda siatki ce~ntytu,

. ~toda siatki tlenków,

. metoda siatki ferrytu,

. ~toda trawienia martenzytu odczynnikarni teepolowymi,

. metoda trawienia na goršco.

Przemiana dyfuzyjna austenit-perlit (druga przerniana podstawowa).

eutektoidalnej po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury Arl

róŻIlica energii wywołujšca przemian~ A ~ P. TworZšcy si~ perlit składa

w 87,5% z ferrytu zawierajšcego -0,02% w~gla i w 12,5%

0 zawartoœci 6,67% C (gruboœć płytek ferrytu jest ok. 7 racy wi~ksza niż

mentytu). Zarodki perlitu tworZš si~ heterogenicmie na ~cach ziarn auste-

nitu na nierozpuszcwnych lub utworzonych w wyniku fluktuacji składu che-

micmego c~tec~ach ferrytu lub cementytu. RoHOst ziam perlitu nast~puje

w wyniku wo.ostu bocmego (rys. 5a) i czołowego (rys. 5b).

Prcy bocmym wzroœcie kolonii perlitu utworzona w pierwszej kolejnoœci

płytka (ferrytu lub cementytu) zmienia w swoim otoczeniu st~żenie w~gla. fer-

ryt wywołuje w otoczeniu wzrost st~żenia w~gla i utworzenie si~ obok płytki

cementytu, natomiast cementyt powoduje ~niejszenie st~żenia w~gla i utwo-

rzenie płytki ferrytu. Powtarzajšcy si~ cykl prowadzi do utworzenia kolonii perlitu. Z podobnš scybkoœciš nast~puje również czołowy wo.ost perlitu. Powoduje

to tworzenie si~ niemal kulistych kolonii perlitu rozrastajšcych si~ do momentu

styku z s~iednimi koloniami.

Scybkoœć wzrostu perlitu vp jest proporcjonalna do strurnienia atomów

i odwrotnie proporcjonalna do odległoœci mi~dcy płytkai d (rys. 6):

Z obniżeniem temperatury zwiększa się szybkoœć przemiany vp, pon

Q

roœnie różnica ca-cc i maleje odległoœć d, czynnik jednak (- -) działa

RT

ciwnie, co oznacza, że szybkoœć wzrostu perlitu zwiększa się ze wzrostem

chłodzenia, ale jego tempo stopniowo maleje. Szybkoœć wzrostu perlitu 2

0d składu chemicznego austenitu (molibden, chrom, mangan, nikiel zmnie

szybkoœć wzrostu perlitu). Natomiast kinetyka zarodkowania zależy 0d ro

rów ziam austenitu i jego jednorodnoœci. Małe ziarno i duża niejednoro,

składu chemicznego zwiększa szybkoœć przemiany.

W miarę obniżania temperatury odległoœć między płytkami w perlic

zmniejsza przede wszystkim z powodu zmniejszenia dyfuzji i większej rć

energii swobodnej (wzrost przechłodzenia). Ma to duże znaczenie prakt)

ponieważ twardoœć perlitu zależy 0d jego dyspersji, a więc 0d temperatup ~

utworzenia:

. w temp. 700°C d = 10-3 mrn - 15 HRC,

. w temp. 600°C d = 10-4 mrn - 40 HRC.

W stali podeutektoidalnej (<0,5% C) w trakcie przemiany dyfu:

z austenitu najpierw wydziela się fenyt, a dopiero po osišgnięciu przez a~

składu zbliżonego do eutektoidalnego dokonuje się przemiana austenitu w

(rys. 7a). Odpowiednio w stali nadeutektoidalnej podczas bardzo wolnego

dzenia (wyżarzanie zupełne) poniżej temperatury Arcm w pierwszej kole

wydziela się cementyt drugorzędowy, a następnie zachodzi przemiana aus

w perlit (rys. 7b).

Przemiana bezdyfuzyjna austenitu - przemiana martenzytyczna (trzeciaprze-

miana podstawowa). PodCzAS chłodzenia stali z dużš szybkoœciš uniemożliwia-

jšcš dokonanie się przemiany dyfuzyjnej (szybkoœciš krytycznš Vk) zachodzi

przemiana bezdyftlzyjna, nazywana przemianš martenzytycznš. Dmgim, oprócz

s~ bkoœci chłodzenia, warunkiem rozpoczęcia przemiany martenzytycznej jest

przechłodzenie austenitu poniżej okreœlonej temperatury poczštku przemia-

nl M,. Charakterystycznš cechš tej temperatury jest jej stałoœć dla stali 0 okre-

~jonvm składzie chemicznyrn - NIEzAlEŻIIIE 0d szybkoœci chłodzenia (rys. 8)-

~

~ - atychmiast po przekroczeniu temperatury Ms z dużš szybkoœciš zbliżonš do

s~ bkoœci rozchodzenia się dŸwięku zAchodzi przemiana (oznacza to, że dyfuzja

~~ tej przemianie nie 1a żadnego znaczenia).

cia temperatury końca przemiany Mf. W rnikrostrukturze rnimo to l

częœć nie przemienionego austenitu nazywanego austenitem szCZĽtkowym, l

skutek wywołania naprężeń œciskajšcych zwi~anych l

austenitu aniżeli powstałego z niego martenzytu (zgodnie z l

Chateliera - nie może zwiększyć objętoœci - pozostaje nie l

W temperaturze pokojowej może pozostać jeszcze więkSzA iloœć

nazywana szczštkowš), gdy temperatura końca przemiany jest niższA 0d l

ratury pokojowej. Temperatura Mf zAlEŻY głównie 0d l

stopnia przechłodzenia, jednorodnoœci austenitu. Austenit szczštkowy l

odpomoœć na œcieranie, wytrzymałoœć zmęczeniowš, odpomoœć na kruche l

kanie, ale zmniejszA wytrzymałoœć, twardoœć oraz jest l

wymiarowej i pęknięć szlifierskich. i

Martenzyt utworzony w wyniku przerniany l

roztworem węgla w żelazie ~, powstałym przez zniekształcenie sieci i

WzAJEmNĽ zAleżnoœć orientacji martenzytu względem austenitu (pod mikrosko. ,

pem iglaste l

pod kštem 60 lub 1200) tłumaczy się mechanizmem tworzenia martenzytu l

œcinanie. Typ martenzytu (listwowy lub płytkowy) jest l

chanizmemjego tworzenia i zależy 0d składu chemicznego stali.

Przemiana bainityczna. Zachodzi w stal i węglowej w temperaturze

zAkresu najmniejszej trwałoœci austenitu. Ma charakter poœredni - nie jest ani

w pełni dyfuzyjna, ani w pełni bezdyfuzyjna. Na skutek znacznego przechło~-

nia na granicach ziam austenitu tworZĽ się zArodki przesyconego

rytu, z którego następnie wydzielajš się bardzo drobne czšsteczki

poczštkowo cementytu, a poniżej temperatury 300°C węgliki 0 innym 0d

mentytu składzie, zAwierajšce nawet do 8,4% węgla - FE2.4C (węglik ~). Przy

większych przechłodzeniach austenit tylko częœciowo się przemienia w bainit.

Reszta austenitu przemienia się w martenzyt. Dlatego w wyższej

(~500°C) przemiana bainityczna jest zbliżona swym charakterem do

perlitycznej, natomiast w niższej temperaturze (~25O-3OO°C) do przerniany

martenzytycznej, z tš różnicš, że rozrost płytek w dużej częœci dokonuje się dyfuzyjnie.

Powstały bainit gómy (w wyższej

płytkowy 0 dużej dyspersji), natomiast bainit dolny (w niższej temperaturze) 1a

charakter iglasty. Twardoœć bainitu (40-58 HRC) jest więkSzA 0d twardoœci per-

litu, ale mniejszA 0d twardoœci martenzytu.

Naniesienie na zbiorczy wykres (w układzie temperatura-czas) CzASU pO-

cZĽtku i końca przemian przechłodzonego austenitu w warunkach izotermicz-

nych pozwala otrzymać pełny obraz przemian w tych warunkach - wykresy cTp.

,

(rys. 9a). Natomiast naniesienie temperatury pOczštku i końca przemian Dyfil-

z~jnych bainitycznej i martenzytycznej, dokonujšcych się przy różnej szybkoœci

~lllodzenia, na wykres zbiorczy pozwala otrzymać pełny obraz kinetyki prze-

mianv przechłodzonego austenitu - wykres CTPc - w warunkach chłodzenia ciš-

Przemiana dytuzyjna martenzytu - odpuszczanie (czwarta przemiana podsta-

wowa). NAgRzANIE uprzednio zAhartowanej stali do temperatury niższej 0d tem-

peratury przerniany Al i wytrzymanie przez odpowiedni czas prowadzi do roz-

padu martenzytu na mieszAninę faz złożonš z ferrytu i węglików, w wyniku

zmiany stanu termodynarnicznego z metastabilnego na stabilny. Proces ten na-

q.wa się odpuszczaniem. PodCzAS odpuszczania, oprócz rozpadu martenzytu,

dokonuje się przemiana austenitu szczštkowego, przemiana węglika ~ w ce-

mentyt ijego koagulacja oraz rekrystalizAcja ziarn ferrytu. Wszystkie te procesy

w bardzo istotny sposób wpływajš na zmiany właœciwoœci zahartowanej

uprzednio stali (rys. 10).

Przemiany w czAsie odpuszczAnia i ich intensywnoœć zależš 0d temperatu-

rv ~ . Można je obserwować na podstawie badań dylatometrycznych, ponieważ sš

zwišzAne ze zmianš objętoœci stali (rys. 1 1). Do temperatury ok. 80°C brak jest

dostrzegalnych zmian w mikrostrukturze, mimo że teoretycznie nawet w tempe-

raturze pokojowej następuje wydzielanie się węgla z martenzytu. W zakresie

temperatury 80-200°C obserwuje się zmniejszenie długoœci próbki zwi~e

z intensywnym wydzielaniem węglika g

martenzytu (1 stadium odpuszczania). Zawartoœć węgla w martenzycie maleje do

~0,3% i taki martenzyt nosi nazwę martenzytu odpuszczonego.

wanie próbki powyżej temperatury 170°C powoduje wzrost objętoœci. W

drugim stadium odpuszczania (do temperatury ok. 300°C) przeważa

przemiany austenitu Szczštkowego w martenzyt odpuszczony. Zawartoœć węgla

w martenzycie zmniejsza się do ~0,15-O,2O%, a powstała struktura jest zbliżona

do bainitu otrzymanego z hartowania w tej temperaturze. W trzecim stadium

odpuszczania (280-400°C) następuje zmniejszenie długoœci próbki wywołane

całkowitym wydzieleniem węgla z przesyconego roztworu a i przemianš węgli-

ka g w cementyt. W teńlperaturze powyżej 400°C rozpoczyna się 1V stadium

odpuszczania polegajšce na rozpuszczaniu się drobnych czšstek cementytu, po-

wstawaniu większych, ich koagulacji oraz sferoidyzacji. Powstała struktura jest

nazywana sorbitem (500-600°C) i 1a twardoœć 350-400 HB. NAgrzANIE stali

po~~~ ~rżej temperatury 600°C powoduje dalsZĽ sferoidyzację cementytu i UtwO-

rzenie równoosiowych ziam ferrytu - sferoidytu charakteryzujšcego się małš

t~~ ardoœciš (rys. 12). Otrzymane w wyniku rozpadu martenzytu struktury kul-

~O~~ e majš znacznie lepsze właœciwoœci mechaniczne aniżeli strukturv ~ ptytkowe

'trzymane podczas przemiany dyfuzyjnej austenitu.

Przemiany podczas nagrzewania i chłodzenia stali oraz zjawiska towarZy-

szšce przemianie alotropowej a ~ Y i przernianie eutektoidalnej sš wykorzy-

stywane w obróbce cieplnej stali, przemiany dyfuzyjne w procesach wyżarzania,

przemiany martenzytyczna, bainityczna oraz dyfuzyjny rozpad struktur harto-

wania w procesach hartowania i ulepszania cieplnego.

2.3. Umacnianie wydziel&niowe

W niektórych rodzajach stali, a szczególnie w stopach metali nieżelaznych,

w których brak jest przemian alotropowych, w procesie obróbki cieplnej wyko-

rzystuje się zmiennš rozpuszczalnoœć składników stopowych ze zmianš tempe-

ratury i zjawiska wydzielania się faz dyspersyjnych wywołujšcych umocnienie

stopu. Taka obróbka cieplna nazywa się umacnianiem wydzieleniowym (rys. 13).

W pierwszym etapie - przesycaniu - polegajšcym l

temperatury wyższej niż temperatura granicznej rozpuszczalnoœci l

w stopie, wytrzymaniu w tej temperaturze w celu utworzenia l

roztworu stałego i szybkim chłodzeniu do temperatury pokojowej uzyskuje l

roztwór przesycony. W dmgim etapie - starzeniu - polegajšcym na nagrzaniu

temperatury niższej niż temperatura granicznej l

w roztworze stałym wywołuje się wydzielenie faz dyspersyjnych l

stop. W niektórych stopach wydzielenie faz dyspersyjnych następuje l

w temperaturze pokojowej i takie starzenie nazywa się starzeniem naturalnym.

2.4. Obróbka cieplno-plastyczna

Szczególnym sposobem wykorzystania efektu przemian

róbka cieplno-plastyczna (rys. 14), będšca połšczeniem odkształcenia

nego z obróbkš cieplnš w taki sposób, aby przemiana fazowa zachodziła w

runkach zwiększenia gęstoœci defektów sieci wvw ~ ołanych

woduje to wzrost wytrzymałoœci (do 20, 30%) bez zmniejszenia

Przykładem obróbki cieplno-plastycznej sš:

.

. zakończenie kucia lub walcowania w zakresie

tu,

. szybkie chłodzenie wyrobów lub półwyrobów bezpoœrednio

ce plastycznej,

. hartowanie po przeróbce plastycznej

Obróbce cieplno-plastycznej poddaje się głównie stal

0d temperatury rozróżnia się wysokotemperaturowš (WTOCP)

turowš (NTOCP) obróbkę cieplno-plastycznš. Podczas WTOCP stosuje

niewielkie odkształcenia (kilka procent), natomiast w NTOCP duże (powyżej

70%).

Obróbkę cieplno-plastycznš zarówno nisko-, jak i wysokotemperaturowš

stosuje się również do stopów metali nieżelaznych, w odniesieniu do których

lšczy się przesycanie z przeróbkš plastycznš prowadzonš przed przesycaniem

lub po przesycaniu, ale przed starzeniem.

---