odpuszczania stali

PODSTAWY OBRÓBKI CIEPLNEJ (na przykładzie stopów żelaza)
(+ -)
OC – proces technologiczny obejmujący zespół operacji, np. grzanie, chłodzenie materiałów
w stanie stałym,
- wynikiem OC są zmiany struktury a więc właściwości materiału, np. stali.
Teoretyczne podstawy OC są nauką o przemianach zachodzących w materiałach wskutek:
- zmiany temperatury, czasem również ciśnienia,
- wpływie szybkości grzania i chłodzenia na mechanizmy i kinetykę tych przemian,
(L.A. Dobrzański)
Przemiana dyfuzyjna austenit ⇒ perlit
γ0,77 → (α0,02 +Fe3C6,67)
(+)
● przemiana eutektoidalna przechłodzonego austenitu
- izotermiczne wygrzewanie w temp. Ar1 = A1 - ∆T (przechłodzenie stałe),
- ciągłe chłodzenie (nieprzerwany wzrost przechłodzenia),
● zarodki dwufazowe (na granicach ziaren austenitu) ale nie obie fazy jednocześnie
(uważa się, że pierwszy zarodkuje Fe3C co ułatwia zarodkowanie ferrytu itd.),
● rośnięcie zarodka → płytkowa kolonia perlitu
- wzrost kolonii perlitu jest różny w kierunku
czołowym i bocznym (Mehl)
● budowa płytkowa, gdyż zapewnia
największą szybkość przemiany,
- późniejsze wyżarzanie → sferoidyzacja Fe3C,
(R. Haimann)
Różnie zorientowane kolonie perlitu w stali eutektoidalnej, trawione Mi1Fe
(A. Krajczyk)
Kinetyka przemiany austenit → perlit (przy ∆T = const)
● krzywa kinetyki przemiany
- charakterystyczny kształt litery S,
- występuje okres inkubacji,
- chwilowa szybkość przemiany zależy od
stopnia zaawansowania przemiany,
(+)
● szybkość przemiany v = f (∆T) ,
dla danego ∆T jest określana umownie
w punkcie przegięcia krzywej (maksymalna),
- wykazuje maksimum przy ∆T ≅ 175 K,
- później maleje z powodu utrudnień w dyfuzji C,
k
= 727°C
v
∆T = const
∼ 550°C
v
p
k
v
0
Krzywe kinetyki przemiany perlitycznej
dla różnych przechłodzeń
(każda w warunkach izotermicznych)
p
(R. Haimann)
Wykres izotermicznej przemiany austenitu - CTPi
(+)
● dyfuzyjna przemiana perlityczna od temperatury Ar1 do Tm (∆T≅ 175 K) ⇒ mieszanina płytkowa
- odległość między płytkami od 1,0 do 0,1 µm,
- płytki ferrytu około 7 razy grubsze od płytek cementytu,
⇐ perlit grubopłytkowy
p
← sorbit hartowania (płytki widoczne przy pow. ok. 500x)
k
Tm
krzywa chłodzenia
⇐ perlit drobnopłytkowy
←troostyt hartowania (płytki niewidoczne pod
mikroskopem świetlnym)
⇐ bainit górny
⇐ bainit dolny
⇐ martenzyt
CTPi dla stali eutektoidalnej (0,77 %C)
(R. Haimann)
(+)
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),
● zjawisko sztucznego zwiększania udziału perlitu w strukturze
wykorzystywane jest, np. w niskowęglowych spawalnych stalach
konstrukcyjnych (przyśpieszone chłodzenie austenitu na powietrzu),
II
● po przechłodzeniu do temp. Tq nawet w stalach o małej zawartości C
powstaje sam drobnopłytkowy quasi-perlit (twardy i nieciągliwy),
● w stalach zaeutektoidalnych zjawisko to można wykorzystać
do likwidacji Fe3CII ale tracimy np. na skrawalności,
Tq
quasi-eutektoid
Tq
Tq
Obszar quasi-eutektoidu w zależności
od przechłodzenia przed przemianą
perlityczną.
(R. Haimann)
CTPi dla stali przedeutektoidalnej
CTPi dla stali zaeutektoidalnej
(+)
Cechy przemiany perlitycznej w warunkach nierównowagi:
● przemiana dyfuzyjna (∆T → zarodek → rośnięcie zarodka)
● wykazuje okres inkubacji, w którym następuje wstępna 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)
Rodzaje wyżarzania
(-+)
● podstawowym celem jest zmiana struktury ⇒ zmiana właściwości !!,
(R. Haimann)
● wyżarzanie zupełne oraz normalizujące (normalizowanie)
(+)
- identyczne temperatury nagrzewania (30÷50 K nad A3 lub Acm), różna szybkość chłodzenia,
● wyżarzanie zupełne stali przedeutektoidalnych,
- chłodzenie: bardzo wolne (zwykle z piecem),
- zmiany struktury:
- uzyskanie struktury równowagowej, ujednolicenie struktury na przekroju przedmiotu,
- zwykle pewne rozdrobnienie ziarna ferrytu ⇐ dwukrotne przekrystalizowanie,
- zmniejszenie dyspersji perlitu (większa odległość między płytkami),
-zmiany właściwości:
- obniżenie twardości oraz wytrzymałości (Rm , Re ), zmniejszenie naprężeń własnych,
- polepszenie ciągliwości (K, Z, A),
- podwyższenie obrabialności,
- zastosowanie: po walcowaniu lub kuciu (stan: wyżarzony), odlewy (usuwanie struktury Widmannstättena)
● wyżarzanie normalizujące stali przedeutektoidalnej),
- chłodzenie: stosunkowo szybkie (w spokojnym powietrzu),
- zmiany struktury:
- uzyskanie struktury nierównowagi (ale w zakresie przemian dyfuzyjnych),
- silne rozdrobnienie ziarna ferrytu (większe przechłodzenie ∆T ⇒ LZ),
- zwiększenie dyspersji perlitu (rośnie twardość),
- zwiększenie ilości perlitu (quasi-eutektoid) oraz zmniejszenie ilości ferrytu
(struktura stali „udaje” większą zawartość węgla),
- zmiany właściwości:
- podwyższenie twardości oraz wytrzymałości (Rm , Re ) – główny cel,
- zwykle tylko niewielkie obniżenie ciągliwości (K, Z, A) ⇐ przeciwdziała drobne ziarno ferrytu,
- pogorszenie obrabialności,
- zastosowanie:
- w hutach (stan dostawy: normalizowany) – odkuwki, odlewy, wyroby płaskie, długie itp.,
- często obróbka poprzedzająca hartowanie,
Stal niestopowa (0,05% C)
wyżarzanie zupełne ⇒
(stan równowagi)
wyżarzanie normalizujące
(rozdrobnienie ziarna oraz
wzrost udziału quasi-perlitu)
⇒
(A. Krajczyk)
Stal niestopowa (0,4% C)
wyżarzanie zupełne ⇒
wyżarzanie normalizujące
⇒
(A. Krajczyk)
(+)
Typowe wadliwe struktury stali przedeutektoidalnej
(A. Krajczyk)
Stal 0,2% C - pasmowość (segregacja dendrytyczna przy
krzepnięciu + walcowanie na gorąco + wolne chłodzenie)
+ wyżarzanie
⇒
⇒
Stal 0,2% C - po normalizowaniu (usuwanie wad struktury)
- usuwania wadliwych struktur:
- wyżarzanie zupełne lub normalizujące,
- często stosuje się wyżarzanie podwójne:
- najpierw zupełne (w ok. 50°C wyższej temp.)
- następnie normalizowanie (rozdrobnienie ziaren)
Stal 0,15% C - struktura Widmannstättena (R.F. Cochrane, University of Leeds)
(przegrzanie ⇒ duże ziarno γ + szybkie chłodzenie ale przemiany dyfuzyjne)
Stal 0,15% C - struktura Widmannstättena (nieregularne
wydzielenia ferrytu na granicach ziaren austenitu oraz iglasty Pasma ferrytu i perlitu jako wynik segregacji dendrytycznej
ferryt wewnątrz ziaren austenitu)
● wyżarzanie sferoidyzujące (zmiękczające)
- teoretycznie dostatecznie długie wygrzewanie
w temperaturze tuż poniżej A1 (AC1)
(Fe3C przyjmie postać kulistą – energetycznie korzystniejszą)
- stosowane zwykle dla stali zaeutektoidalnych,
- polepszenie skrawalności,
- najwłaściwsza struktura przed hartowaniem,
(stale narzędziowe, łożyska toczne itp. )
⇒
sferoidyzacja niezupełna
Stal 0,8%C - perlit płytkowy
(A. Krajczyk)
sferoidyzacja pełna
⇒
⇒
⇒
Przemiana martenzytyczna
(+)
● bezdyfuzyjna przemiana alotropowa austenit → ferryt (tzn. Feγ → Feα czyli sieci A1 → A2)
- zachowana jest ta sama koncentracja węgla ⇒ ferryt przesycony węglem (martenzyt),
- warunek: chłodzenie z szybkością większą niż krytyczna (∆F↑, DC = 0)
(ominięcie krzywej początku przemian dyfuzyjnych – uniemożliwienie dyfuzji węgla),
- siłą napędową przemiany jest duża różnica F austenitu i martenzytu w temperaturze Ms,
∆F
vkr
CTPi dla stali eutektoidalnej
(R. Haimann)
Schemat zmian F austenitu, perlitu i martenzytu
● 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°,
● ścisły związek orientacji sieci M oraz γ - 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 nie jest izotermiczna – wymaga ciągłego obniżania temperatury ⇐ większa objętość M niż γ),
(R. Haimann)
Uproszczony schemat powstawania płytek martenzytu
w ziarnie austenitu – wielkość płytek zależy od wielkości
ziarna austenitu (martenzyt grubo- lub drobnoiglasty)
(L.A. Dobrzański)
Kolejne fazy przemiany martenzytycznej w miarę
chłodzenia między temperaturą Ms a Mf
(stal niskowęglowa wysokochromowa)
(B. Kuźnicka)
Martenzyt listwowy
(niskowęglowa stal niestopowa,
rdzeń stali nawęglanej)
(A. Krajczyk)
Martenzyt średnioiglasty
(stal o zawartości 0,4% C)
(ok. 700x)
Martenzyt gruboiglasty (płytkowy)
(stal wysokowęglowa)
(ok. 150x)
(A. Krajczyk)
● przemiana martenzytyczna nie zachodzi zwykle 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,
(L.A. Dobrzański)
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,
c
a
(L.A. Dobrzański)
(+)
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,
(M. Blicharski)
(R. Haimann)
Austenit nieprzemieniony oraz
niewielka ilość martenzytu płytkowego
- stal wysokowęglowa i wysokostopowa
- Ms nieznacznie przekroczona,
- Mf nisko w temperaturach ujemnych,
(B. Kuźnicka)
Martenzyt płytkowy wysokowęglowy
na tle austenitu nieprzemienionego
- stal wysokowęglowa niestopowa,
- Mf nie została osiągnięta,
- w grubych igłach martenzytu widoczne
płaszczyzny habitus (niezmienne)
(A. Krajczyk)
(+)
3. Wpływ zawartości węgla na właściwości martenzytu
● duża twardość oraz nieodkształcalność (plastycznie) ⇐ odpowiednio duża zawartość węgla
- umocnienie roztworowe ⇐ silnie przesycony węglem roztwór stały (ferryt),
- umocnienie zgniotowe (wzrost gęstości dyslokacji) ⇐ zgniot fazowy
(rezultat przyrostu objętości),
- umocnienie granicami ziaren ⇐ ogromna ilość płytek martenzytu
zamiast jednego ziarna austenitu,
Twardość martenzytu
(E. Just)
Umowna granica plastyczności martenzytu
(P.G. Winchel, M. Cohen)
(+)
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,
● zwykle 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. stale DP
(ferryt + martenzyt) na karoserie samochodowe.
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 sieci A1 → A2,
- wystarczająca ruchliwość atomów C ⇐ w austenicie lub w powstałym iglastym przesyconym ferrycie
krystalizują drobne, cienkie blaszki Fe3C lub Fe2,6C (węglik ε)
⇒
bainit
mieszanina iglastego, przesyconego ferrytu oraz
drobnych, nieciągłych, płytkowych wydzieleń Fe3C
lub węglika ε (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)
Wykres CTPi dla stali eutektoidalnej
(-+)
● powstawanie bainitu górnego
Fe3C
(M. Blicharski)
- listwy (płytki) ferrytu o szerokości ok. 0,5 µm, między którymi
znajduje się cementyt,
TEM
(L.C. Chang, H.K.D.H. Bhadeshia)
- płytki ferrytu mogą się poszerzać i wydłużać,
- krótkie płytki cementytu mają takie ukierunkowanie
jak iglaste płytki ferrytu,
(R. Haimann)
- struktura ma często charakter pierzasty
(igły ferrytu wyrastają od granic ziaren austenitu)
pierzasty bainit górny
(A. Krajczyk)
● powstawanie bainitu dolnego
(-+)
(przesycenie węglem, rozdrobnienie zależą od ∆T)
(M. Blicharski)
- wzrost cząstek węglików (Fe3C lub ε ) zachodzi wewnątrz
płytek ferrytu bainitycznego (pod kątem 55° do osi płytek),
- ferryt bainityczny, coraz bardziej przesycony węglem,
staje się podobny do martenzytu,
TEM
(L.C. Chang, H.K.D.H. Bhadeshia)
Bainit dolny
- igły są nachylone do siebie pod kątami 60 i 120°,
powstają nie tylko przy granicach ale i wewnątrz ziarn,
- zwiększa się ilość austenitu szczątkowego,
- bainit dolny trawi się silniej (ciemniejszy) niż martenzyt
(obecność w igłach ferrytu cząstek drugiej fazy),
Martenzyt
(R. Haimann)
(A. Krajczyk)
Charakterystyczne cechy przemiany bainitycznej:
(-+)
● wykazuje okres inkubacji, podczas którego następują dyfuzyjne zmiany zawartości węgla w mikroobszarach γ,
● zarodkuje w mikroobszarach uboższych w węgiel oraz rośnie według atermicznej przemiany martenzytycznej,
● wzrost bainitu kontrolowany jest dyfuzją 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 ε 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,
(+)
Przemiany odpuszczania
(przemiany dyfuzyjne po podgrzaniu zahartowanej na martenzyt stali)
● struktura wyjściowa: martenzyt hartowania - MH (przesycony ferryt tetragonalny + austenit szczątkowy)
- fazy metastabilne trwałe w temperaturze pokojowej ⇐ zamrożenie ruchliwości atomów C oraz Fe,
- struktura nie stosowana w praktyce ⇐ wysokie naprężenia własne, brak ciągliwości, kruchość,
● żądany zespół właściwości uzyskujemy po wygrzaniu (odpuszczaniu) w wybranej temperaturze (poniżej A1),
- podwyższenie temperatury ⇒ reaktywacja dyfuzji atomów C ⇒ zmiany struktury ⇒ zmiany właściwości,
Wykres odpuszczania stali 0,35% C
(L.A. Dobrzański)
(R. Haimann)
Wykres odpuszczania stali 0,45% C
(+)
● przemiany odpuszczania można badać i śledzić różnymi metodami:
- zmiany długości próbki (krzywe dylatometryczne) – największe znaczenie dydaktycznie,
- zmiany twardości (metoda prosta, często stosowana w praktyce),
Temperatura odpuszczania
(zmiany długości ∆L mierzone są po ochłodzeniu próbek)
(R. Haimann)
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 ε (Fe2,4C),
- wg ostatnich badań - rombowy węglik η (Fe2C),
- maleje przesycenie ferrytu (do ok. 0,2%C),
- maleje tetragonalność ferrytu,
- maleją naprężenia (mniejsze przesycenie + relaksacja),
- gęstość i rozmieszczenie dyslokacji pozostaje (przeszkadza węglik ε),
(R. Haimann)
- austenit szczątkowy pozostaje,
● struktura: martenzyt odpuszczania (FP + ε + γsz)
(mieszanina lekko przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika ε + austenit szczątkowy),
- 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 ),
(+)
II stadium – ok. 200 - 300°C (objętość rośnie ⇐ zanika austenit szczątkowy),
● przemiana austenitu szczątkowego (przemiana podobna do powstawania bainitu dolnego),
● produkty rozpadu γsz są identyczne jak w przypadku rozpadu martenzytu hartowania w I stadium,
● struktura: nadal nazywana martenzytem odpuszczania (FP + ε)
(mieszanina jeszcze mniej przesyconego iglastego ferrytu + koherentne wydzielenia węglika ε ),
● właściwości:
- Rm , R0,2 , HRC - lekko maleją (wyższa temperatura, mniej przesycony ferryt, mniejsza dyspersja węglika ε)
- rosną ale z niższego poziomu, gdy austenitu szczątkowego było dużo (nie osiągnięta Mf ),
- udarność (K) - od ok. 250°C zaczyna spadać (nieodwracalna kruchość odpuszczania) spowodowana
przypuszczalnie prawie ciągłą otoczką węglika ε wzdłuż byłych granic ziaren austenitu,
Wpływ temperatury odpuszczania na
udarność stali niestopowej (0,42%C)
(ASM Handbook, T.4 – 1991)
III stadium – ok. 300 - 400°C (objętość maleje ⇐ 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 ε w ziarenka cementytu (przemiana węglikowa „in situ”),
- cementyt ma mniejszą F oraz zanika koherencja węglika ε w regularnym już ferrycie,
● struktura: troostyt odpuszczania (martenzyt średnio odpuszczony) (Figl + Fe3C)
(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + niekoherentne ziarenka cementytu),
- struktura trawi się silnie i szybko ciemnieje, cementyt ziarnisty (zbyt drobny dla mikroskopu optycznego)
● właściwości:
- Rm , R0,2 , HRC - szybko maleją
(wartości jednak nadal dość wysokie),
- ciągliwość (K, A, Z) – wolno rośnie
(wartości jednak nadal dość niskie),
(R. Haimann)
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:
(Figl + Fe3C)
- do ok. 650°C ⇒ sorbit odpuszczania (martenzyt wysoko odpuszczony)
(mieszanina iglastego, pomartenzytycznego ferrytu + skoagulowane ziarenka cementytu),
- powyżej 650°C ⇒ 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,
sorbit odpuszczania
(stal niskostopowa 0,4%C)
pomartenzytyczny iglasty ferryt z
ziarnistymi wydzieleniami cementytu
o małej dyspersji (widoczne pod
mikroskopem świetlnym, pow. > 500x)
(A. Krajczyk)
cementyt
1400x
700x
(+ -)
sferoidyt (160-250) HB
(na przykładzie stali narzędziowych, ok. 1%C)
po wyżarzaniu zmiękczającym - tuż poniżej A1,
(bez hartowania)
cementyt
(A. Krajczyk)
TEM
(H.K.D.H. Bhadeshia)
(H.K.D.H. Bhadeshia)
po hartowaniu oraz odpuszczaniu w 700°C
Wybrane zagadnienia technologii obróbki cieplnej
(+)
1. Temperatury nagrzewania przed hartowaniem stali.
● 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 γsz )
- ale wcześniej odpowiednia postać Fe3CII (najlepiej sferoidyt),
- unikamy konieczności usuwania γsz co wiązałoby się z obniżeniem twardości,
- mniejsze naprężenia własne (niższa temperatura),
- Fe3CII podwyższa odporność na ścieranie,
Twardość zahartowanej stali: a) twardość martenzytu,
b) hartowanie znad Acm ,
c) hartowanie znad A1 ,
(R. Haimann)
prawidłowa struktura stali
zaeutektoidalnej po OC
twarda i odporna na ścieranie po
hartowaniu znad A1 oraz
odpuszczaniu niskim (do 250°C)
strukturą wyjściową był sferoidyt
300x
Fe3CII
1200x
(A. Krajczyk)
3. Hartowność oraz sposoby jej oznaczania.
(+)
● 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,
● o właściwościach stali w stanie zahartowanym decydują dwie cechy:
- 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 ⇐ ułatwiają zarodkowanie i przemiany
dyfuzyjne).
● hartowność jest głównym kryterium doboru stali, np. maszynowych, sprężynowych, narzędziowych,
- wysoka hartowność (kosztowna ⇐ 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,
A1
- dla ułatwienia wprowadzono pojęcie średnicy krytycznej
(opracowano proste i powtarzalne metody jej wyznaczania),
vrdzenia
vpowierzchni
v > vkr
Ms
vpow
vkr
vkr
Czas
vrdzenia (v< vkr)
Wpływ zawartości węgla na
krytyczną szybkość hartowania,
strefa
zahartowana
na martenzyt
strefa
zahartowana
na martenzyt
strefa
niezahartowana
całkowicie
(+)
● chłodzone pręty ze stali o małej, średniej oraz dużej hartowności,
średnica krytyczna D100
(L.A. Dobrzański)
-średnica krytyczna Dn
- średnica pręta zahartowanego w określonych warunkach chłodzenia,
- w osi pręta struktura składa się z n % martenzytu, np. D50 , D80 , D99,9 ,
● najłatwiej określić głębokość, na której występuje 50% martenzytu (D50 )
- metodą pomiaru twardości,
- poprzez obserwacje mikroskopowe,
strefa półmartenzytyczna
(A. Krajczyk)
Dla części silnie obciążonych, w których strefa
półmartenzytyczna w rdzeniu jest niedopuszczalna
można określać strefy o większej zawartości martenzytu,
wykorzystując odpowiednie wykresy doświadczalne.
Wpływ zawartości węgla na twardość strefy
półmartenzytycznej w stalach.
(+)
● przykład wyznaczania średnicy krytycznej D50 metodą krzywych U,
- metoda historyczna, pracochłonna (nie stosowana obecnie w praktyce),
50
50
Krzywe rozkładu twardości na przekroju prętów o różnej średnicy
(stal 0,3% C oraz 3% Ni, hartowana w wodzie)
(R. Haimann)
(-+)
(+)
● średnica krytyczna Dk (najczęściej jako D50) dotyczy określonego ośrodka chłodzącego wraz z
określoną intensywności poruszania w tym ośrodku (H)
● wprowadzono pojęcie idealnej średnicy krytycznej D∞ ⇐ w idealnym ośrodku chłodzącym (H =∞)
(miara hartowności niezależna od warunków chłodzenia jako umowny poziom odniesienia)
H – współczynnik
intensywności
chłodzenia
Uproszczony schemat nomogramu, np. do określania idealnej średnicy krytycznej
lub średnic krytycznych w różnych ośrodkach
(według Grossmana)
● szczegółowa zależność miedzy idealnymi (D∞ ) oraz rzeczywistymi (Dk ) średnicami krytycznymi
(- +)
(Nomogram wg Grossmanna)
H – współczynnik
intensywności
chłodzenia
Idealna średnica krytyczna D∞ , mm
Hartowność stali:
mała
średnia
duża
bardzo duża
⇒
⇒
⇒
⇒
D∞ < 50 mm,
D∞ = 50÷80 mm,
D∞ = 80÷150 mm,
D > 150 mm,
● określanie hartowności metodą chłodzenia od czoła – metoda Jominy’ego,
(+)
- znormalizowane urządzenie, próbka oraz warunki próby ⇐ powtarzalność i dokładność wyników,
- 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),
- twardość HRC mierzona na zeszlifowanej powierzchni bocznej próbki (wzdłuż tworzącej walca),
próbka dla stali
o średnich vkr
1 - zbiornik z wodą,
2 - wanna,
3 - zawór,
4 - dysza wodna,
5 - przesłona,
6 - uchwyt próbki,
7 - próbka
(L.A. Dobrzański)
● przykładowe krzywe i pasma hartowności wyznaczone w próbie Jominy’ego
(+)
- optymalne wykorzystanie danej stali w konkretnym przedmiocie wymaga kontrolnych badań zakupionej
partii stali lub zamawiania u producenta wąskiego pasma hartowności ⇐ dodatkowe koszty,
twardość strefy
półmartenzytycznej
D∞ = 55 mm
21
D∞ = 130 mm
2,7
Schemat wyznaczania szybkości chłodzenia w
strefie półmartenzytycznej ⇒ D∞ oraz D50 (z nomogramów),
Pasmo hartowności dla stali 35HM (35CrMo4)
- jak optymalnie wyznaczyć D∞ oraz D50 ?!
● wpływ ilości martenzytu w środku przekroju na właściwości części maszyn,
● niejednorodna struktura na przekroju (za mało martenzytu):
- mniejsza wytrzymałość zmęczeniowa,
- mniejsza ciągliwość (udarność),
(niejednorodność zostaje po odpuszczaniu)
Twardość zahartowanej stali przy różnym
udziale martenzytu w zależności od % C.
(wg J.M. Hodge’a i M.A. Orehoskiego)
⇒
(+-)
nieprawidłowa struktura dla części
silnie i bardzo silnie obciążonych,
Nomogram do określania krytycznych średnic idealnych
dla różnych udziałów martenzytu w środku pręta.
(R. Haimann)
4. Odpuszczanie zahartowanej stali.
(+-)
● zabieg odpuszczania wykonujemy niezwłocznie po hartowaniu (maksymalnie 0,5÷3 godz.),
- dla zapobieżenia pękaniu (tym szybciej im więcej węgla),
● temperaturę odpuszczania dobiera się zależnie od planowanych własności przedmiotu,
● czas odpuszczania wynosi zwykle 1÷2,5 godz. (możliwie krótki ze względów ekonomicznych),
- w praktyce na każde 25 mm wymiaru przekroju przyjmuje się 1 godzinę odpuszczania,
● temperatura oraz czas odpuszczania są parametrami częściowo zamiennymi,
- korzystniejszy jest dłuższy czas odpuszczania w niższej temperaturze (dla tej samej twardości),
- zysk na ciągliwości oraz jednorodności właściwości,
- stratą jest wzrost kosztów zabiegu,
Wpływ czasu i temperatury odpuszczania na twardość stali 0,82% C, 0,75% Mn (wg Baina)
(+!)
● odpuszczanie niskie: 150÷250 °C - martenzyt odpuszczania (zwykle 58÷63 HRC)
- zmniejszenie naprężeń hartowniczych (poprzez zmianę struktury oraz relaksację naprężeń),
- zachowanie wysokiej twardości i wytrzymałości (Rm , R0,2 ) ale bardzo mała ciągliwość (K),
- zastosowanie: gdy wymagamy dużej twardości i odporności na ścieranie oraz godzimy się na
niewielką ciągliwość,
(narzędzia, łożyska toczne, przedmioty po nawęglaniu, hartowaniu powierzchniowym itp.)
● odpuszczanie średnie: 350÷500 °C - troostyt odpuszczania (zwykle 40÷50 HRC)
- zapewnia wysoką jeszcze wytrzymałość (Rm , R0,2 , Rspr ),
- wzrost ciągliwości (K, Z, A) nie jest duży ale często już zadowalający,
- zdecydowane zmniejszenie twardości ale jeszcze trudna skrawalność,
- zastosowanie: gdy wymagamy znacznej granicy sprężystości oraz godzimy się na małą ciągliwość,
np. elementy sprężyste,
gdy narzędzie powinno mieć podwyższoną ciągliwość ale nie musi być ostre,
np. narzędzia pneumatyczne, matryce itp.)
● odpuszczanie wysokie : >500÷650 °C - sorbit odpuszczania (zwykle 23÷35 HRC)
- najlepsze skojarzenie własności wytrzymałościowych oraz ciągliwości,
● Rm , R0,2 - zwykle o 30÷50% wyższa niż w stanie wyjściowym (po normalizowaniu),
● udarność (K) – zwykle o 20÷50% wyższa niż w stanie wyjściowym (po normalizowaniu),
● twardość umożliwia już stosunkowo łatwe skrawanie,
- hartowanie + wysokie odpuszczanie nosi odrębną nazwę: „ulepszanie cieplne”,
- zastosowanie: powszechne do przedmiotów ze stali maszynowych średniowęglowych,