InżynieriaMateriałowa

7.1.2. Przemiana martenzytyczna

Przemiana martenzytyczna ma charakter bezdyfuzyjny. Z tego powodu warunkiem jej wystąpienia jest bardzo duże pr/echłodzenie austenitu i wynikająca stąd duża szybkość chłodzenia. Jednorodną strukturę martenzytyczną uzyskuje się przy szybkościach chłodzenia równych lub większych od krytycznej.

Szybkość krytyczna zależna jest od zawartości węgla w stalach (rys. 7.5.) oraz od dodatków stopowych, które przeważnie ją zmniejszają. Przemiana martenzytyczna zaczyna się w temperaturze oznaczonej i kończy w Mj. Zakończenie przemiany w temperaturze Mj nie jest równoznaczne z całkowitym zanikiem austenitu. Pozostaje zawsze pewna ilość tzw. austenitu szczątkowego. Temperatury M_$ i Mj zależne są od zawartości węgla w austenicie (rys. 7.6.). Przemiana w temperaturze M_$ polega na przebudowie sieci 7 w CL , przy czym nie zachodzą procesy dyfuzyjne. Tworzy się więc silnie przesycony roztwór węgla w sieci żelaza a zwany martenzytem. Sieć przestrzenna martenzytu jest tetragonalna a jej parametry różnią się od parametrów sieci 7 jak i a . Stopień tetragonalności. czyli stosunek c/a zależy liniowo od zawartości węgla w tym roztworze stałym (rys. 7.7.).

Przemiana martenzytyczna składa się z procesu zarodkowania i szybkiego wzrostu. Uprzywilejowanym miejscem heterogenicznego zarodkowania martenzytu są mikro-obszary o niejednorodnym rozkładzie składników oraz defekty sieciowe { 4] . Marten-zyt wzrasta z szybkością porównywalną z prędkością dźwięku w postaci płytek w ziarnach austenitu. Przeszkodami na drodze wzrostu są granice ziarn austenitu lub płytki utworzonego martenzytu. Tworzące się płytki martenzytu dzielą austenit na mikro-obszary, w których panuje naprężenie ściskające. Wynika to stąd, że martenzyt posiada o ok. 1,5% większą objętość właściwą od austenitu. Wzrastający stan wszechstronnego ściskania hamuje przemianę martenzytyczną tak, że w temperaturze M_f praktycznie przemiana ta ustaje. Stwierdzono, że na przebieg przemiany martenzytycznej ma korzystny wpływ obciażeni«* zewnętrzne wywołujące odkształcenie plastyczne austenitu, a przez to uwalnianie jego energii swobodnej. Charakterystyczną cechą przemiany martenzytycznej, odróżniającą ją od przemian dyfuzyjnych jest to. że zachodzi ona tylko przy obniżaniu temperatury między M_$ i Mf, natomiast w warunkach izotermicznych praktycznie nie przebiega. Mikrostrukturę stali po przemianie martenzytycznej tworzą igły martenzytu na tle austenitu szczątkowego. Igły martenzytu tworzą między sobą kąty 60° lub 120° i mają tendencję do tworzenia skupień. Długość igieł zależna jest od wielkości ziarna byłego austenitu.

7.3. Struktury i własności stali po odpuszczaniu

Martenzyt jest strukturą nietrwałą z uwagi na wysoką energię swobodną. Już w temperaturach 80-200°C występuje pierwsze stadium przemiany, polegające na wydzielaniu się nadmiaru węgla w postaci submikroskopowych cząstek (10^-^ — 10^—^ mm) węglika f . o składzie pośrednim między Fe₂C i Fe-jC i o strukturze heksagonalnej zwartej. Zanika wtedy tetragonalność martenzytu.

W drugim okresie przemiany w temperaturze 200-300° C zanika tetragonalność martenzytu. zmniejszają się wewnętrzne naprężenia ściskające, umożliwiając przemianę austenitu szczątkowego w martenzyt o budowie regularnej.

Martenzyt uzyskany w pierwszym i drugim okresie nazywa się martenzytem odpuszczonym (twardość 650-500 HB). Trzeci okres przemiany martenzytu zachodzi w temperaturze 300-400° C. Wówczas węglik € przechodzi w cementyt. Proces ten doprowadza do przemiany martenzytu w mieszaninę ferrytu z submikroskopowymi wydzieleniami cementytu.

Ostatnim, czwartym okresem przemiany w temperaturze od 400° C do ACj jest sferoidyzacja submikroskopowych wydzieleń cementytu a następnie ich koagulacja. Powyżej 600° C wydzielenia cementytu są już widoczne pod mikroskopem. Strukturę taką, powstającą z martenzytu w temperaturze 650-680° C, nazywa się sorbitem (twardość ~ 300 HB). Zabiegi podgrzewania stali zahartowanej w celu zmiany jej struktury nazywa się odpuszczaniem. Rozróżnia się odpuszczanie niskie do 250° C, średnie w zakresie 250-500° C i wysokie 500-Ac ₁.

W zakresie pierwszym uzyskuje się strukturę martenzytu odpuszczonego Odpusz czanie średnie i wysokie doprowadza do struktury sorbitu, przy czym wielkość wydzieleń

cementytu zależna jest od temperatury odpuszczania. Te dwa wymienione rodzaje odpuszczania wywołują daleko idące zmiany własności mechanicznych stali: wzrasta udar-ność i zdolność do odkształceń plastycznych, maleje natomiast twardość.

Czas odpuszczania również wpływa na własności stali odpuszczonej. Najczęściej przyjmuje się czas wygrzewania 2-3 godz., gdyż dalsze wygrzewanie prowadzi do coraz mniejszych zmian własności mechanicznych (rys. 7.14.).

Własności stali po odpuszczeniu zależne są w dużym stopniu od dodatków stopowych. Tak np. w stalach szybkotnących odpuszczanie w temperaturze 500—600° C wywołuje wzrost twardości (tzw. twardość wtórna). Jest to związane z wydzielaniem się wysokodyspersyjnych węglików pierwiastków stopowych (W, Mo, V).

Struktury stali odpuszczonych zależne są od stopnia przemiany martenzytu i koagj lacji cementytu (rys. 7.15. - 7.18 ). Klasyfikacja i kryteria oceny cech mikrostruktury stali określone są w normie PN-66/H-04505.

Zabiegi odpuszczania

Odpuszczanie polega na nagrzewaniu uprzednio zahartowanego przedmiotu do temperatury leżącej poniżej Aj, co prowadzi do usunięcia naprężeń oraz przemian wywołujących zmniejszenie twardości i wzrost plastyczności stali. Połączenie zabiegu hartowania i wysokiego lub średniego odpuszczania nazywamy ulepszaniem cieplnym.

13.4. Hartowanie stali

13.4.1. Dobór temperatury i czasu grzania

Temperatura, do której nagrzewamy stal przed hartowaniem, czyli tzw. temperatura austenityzowania powinna zapewnić przejście struktur wyjściowych w austenit, nie może jednak być zbyt wysoka aby nie nastąpił rozrost ziarna austenitu. Optymalna temperatura hartowania stali podeutektoidalnych jest zwykle wyższa o 30-50° C od temperatury Ac₃. a stali eutektoidalnych i nadeutektoidalnych - wyższa o 30-50° C od Acj. W zależności od rodzaju i zawartości pierwiastków stopowych, wymiarów i kształtów części, rodzaju ośrodka chłodzącego a także od wymaganych własności po hartowaniu

-    prawidłowa temperatura austenityzowania możne znacznie odbiegać od wyżej podanych zaleceń. W praktyce posługujemy się normami lub kartami materiałowymi, w których zwykle są podane zalecane temperatury obróbki cieplnej dla poszczególnych gatunków stali.

Dla stali węglowych i niskostopowych temperaturę hartowania możemy określić bezpośrednio z wykresu Fe-Fe₃C. Pewna trudność polega na tym, że na ogół rzadko spotyka się wykresy Fe-Fe₃C z dokładnie wyznaczonym przebiegiem temperatury Ac₃ (linia GOS). Znając trzy punkty linii GOS, łączy się je odcinkami prostymi, wykreślając jej przybliżony przebieg. Na rysunku 13.5. przedstawiono przybliżony przebieg linii GOS i porównano ją z wyznaczonymi eksperymentalnie punktami początku wydzielania się ferrytu.

13.4.3. Sposoby hartowania

Hartowanie zwykłe- przeprowadza się przez ciągłe oziębianie austenityzowaniej stali w ośrodku o temperaturze niższej od Jtfe aż do wyrównania temperatur przedmiotu hartowanego i kąpieli. Przy odpowiednio dobranym ośrodku chłodzącym uzyskuje się wtedy strukturę martenzytyczna. W materiale występują jednak naprężenia wewnętrzne spowodowane przemiana austenitu w martenzyt. niejednoczesna na powierzchni i w rdzeniu przedmiotu.

Hartowanie stopniowe - przedmiot po austenityzowaniu chłodzi się w kąpieli . której temperatura jest nieco wyższa od ^ i wytrzymuje przez okres czasu konieczny do wyrównania temperatur na całym przekroju. Czas ten powinien być jednak niezbyt długi aby nie zapoczątkować przemiany bainitycznej. Chłodzenie po wytrzymaniu izotermicznym może być bardzo wolne zazwyczaj w powietrzu dzięki czemu znikają naprężenia cieplne.

Hartowanie przerywane - stosuje się dwa ośrodki chłodzące (rys. 13.7.c.): najpierw wodę, która daje dużą szybkość chłodzenia do temperatur około 450° C i pozwala na uniknięcie przemian perlitycznych, a następnie olej, który znacznie zmniejsza intensywność odprovradzania ciepła w zakresie temperatury M_$ i tym samym redukuje naprężenia, obniżając skłonność do pękania i krzywienia się elementów.

Hartowanie z podchłodzeniem — przed właściwym hartowaniem stosuje się pod-chłodzenie do temperatury nieco wyższej od Arj. co powoduje obniżenie naprężeń cieplnych (rys. 13.7d). Zwykle martenzyt będzie gruboiglasty ale bez pęknięć.

Hartowanie bainityczne zwykłe - stosujemy oziębianie ciągłe w ośrodku o własnościach chłodzących zapewniających uzyskanie struktury składającej się głównie z bainitu (rys. 13.7e.).

Stosuje się przede wszystkim do niektórych stali stopowych, w których przemiana bainityczna zachodzi łatwiej niż perlityczna.

Hartowanie bainityczne izotermiczne — przeprowadza się podobnie jak hartowanie stopniowe, to znaczy po austenityzowaniu ochładza się w kąpieli o temperaturze wyższej od M_$, ale wytrzymuje się przez okres czasu konieczny do zajścia przemiany bainitycznej (rys. 13.7.f.).

Oprócz omówionych sposobów hartowania, różniących się głównie sposobem oziębiania. rozróżnia się hartowanie objętościowe, w którym austenityzowanie obejmuje całą objętość przedmiotu oraz hartowanie powierzchniowe z szybkim nagrzewaniem tylko wierzchniej warstwy materiału.

Przy ustalaniu temperatury odpuszczania należy pamiętać o zjawisku kruchości odpuszczania, które objawia się spadkiem udarności w stopniu zależnym od gatunku stali, jej czystości oraz temperatury i czasu odpuszczania. Rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje kruchości:

-    kruchość I rodzaju (nieodwracalną) powstającą po odpuszczaniu w zakresie 250-

-400° C.

-    kruchość II rodzaju (odwracalną) powstającą po odpuszczaniu w zakresie 500-

-650° C.

Kruchość odpuszczania pierwszego rodzaju występuje prawie we wszystkich gatunkach stali węglowych i stopowych, z wyjątkiem stali z podwyższoną zawartością krzemu. Objawia się ona zmniejszeniem udarności stali odpuszczanych w zakresie temperatur około 300° C niezależnie od szybkości ich chłodzenia. Ponieważ nie można jej usunąć przez ponowne odpuszczanie, określa się ją iako nieodwracalną. Zjawisko to wiąże się z przemianą austenitu szczątkowego lub nierównomiernym odpuszczaniem martenzytu. który najszybciej rozkłada się na granicach ziarn byłego austenitu.

Na drugi rodzaj kruchości odpuszczania wrażliwe są tylko niektóre gatunki stali konstrukcyjnych stopowych, a w szczególności stale Cr. Mn, Cr-Mn, Cr-Ni i Cr-V. Zjawisko to występuje po odpuszczaniu stali powyżej 500° C i powolnym chłodzeniu lub długotrwałym wytrzymaniu w krytycznym zakresie temperatur. Kruchości odpuszczania drugiego rodzaju można zapobiec przez szybkie ochłodzenie stali po odpuszczaniu (w oleju) lub przez stosowanie stali z dodatkiem około 0,3% Mo. Uważa się, że przyczyną kruchości tego rodzaju jest segregacja fosforu do granic ziarn. które zostają zubożone w pierwiastki stopowe (Mn. Cr) wskutek utworzenia się węglików podczas odpuszczania. Skupienie fosforu na granicach ziarn wywołuje kruchość stali.