Obróbka cieplna stopów żelaza - Notatki - Materiałoznastwo - Część 1, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology
mellow_99
mellow_9914 March 2013

Obróbka cieplna stopów żelaza - Notatki - Materiałoznastwo - Część 1, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology

PDF (827.2 KB)
10 strona
1Liczba pobrań
578Liczba odwiedzin
Opis
W notatkach omawiane zostają zagadnienia z materiałoznastwa: obróbka cieplna stopów żelaza.
20punkty
Punkty pobierania niezbędne do pobrania
tego dokumentu
Pobierz dokument
Podgląd3 strony / 10
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Obróbka cieplna stopów żelaza cz1.pdf

19.03.2012 Obróbka cieplna stopów żelaza

1/29keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm

Obróbka cieplna stopów żelaza

Związek mikrostruktury z własnościami mechanicznymi stali

Własności wytrzymałościowe i technologiczne stali są związane z jej mikrostrukturą zależną w zasadniczy

sposób od obróbki cieplnej, tj. od różnorodnych zabiegów cieplnych, którym stal podlegała. Wykorzystując

fizykochemiczne zjawiska występujące przy ogrzewaniu i oziębianiu stali można doprowadzić do

wytworzenia się w niej najbardziej pożądanych składników strukturalnych, nadających je określone

własności wytrzymałościowe.

I tak np. w celu wykonania obróbki skrawaniem stal wyżarza się zmiękczająco lub normalizuje, w wyniku

czego powstaje struktura ferrytyczno-perlityczna, odznaczająca się małą twardością i wytrzymałością, ale

dość znaczną ciągliwością Własności takie ułatwiają wykonanie obróbki wiórowej, więc w tym przypadku są

one pożądane w procesie wytwarzania elementu konstrukcyjnego.

Natomiast w gotowym wyrobie, podlegającym znacznym naprężeniom, struktura ferrytyczno-perlityczna

często nie zapewnia wystarczającej wytrzymałości i twardości. W celu polepszenia tych własności, przy

jednoczesnym uzyskaniu dobrej ciągliwości i udarności, stosuje się ulepszanie cieplne, polegające na

hartowaniu i odpuszczaniu w odpowiednio wysokiej temperaturze, w wyniku czego powstaje struktura

sorbityczna. Stal w stanie ulepszonym jest materiałem konstrukcyjnym znacznie bardziej wartościowym niż ta

sama stal w stanie nieulepszonym. Dlatego jest regułą, że wysokojakościową stal konstrukcyjną, zwłaszcza

stopową, należy stosować jedynie w stanie ulepszonym.

Z kolei wyroby podlegające ścieraniu (np. narzędzia) powinny odznaczać się bardzo dużą twardością.

Wykorzystuje się wtedy wysoką twardość jaką odznacza się struktura martenzytyczna powstająca przy

hartowaniu.

Obróbka cieplna zwykła jest to rodzaj obróbki cieplnej, w wyniku której uzyskuje się zmiany własności

metali i stopów będące głównie funkcją temperatury i czasu.

Czasem jednak łączy się również zabiegi obróbki cieplnej z odkształcaniem-plastycznym, z działaniem pola

magnetycznego lub też z działaniem chemicznym środowiska. Mamy wówczas do czynienia odpowiednio z

obróbką cieplno-plastyczną, cieplno-magnetyczną lub cieplno-chemiczną.

Związek obróbki cieplnej z przemianami fazowymi

Aby do danego stopu można było stosować poszczególne rodzaje obróbki cieplnej, np. operacje hartowania

i odpuszczania lub przesycania i starzenia, powinny się w nim dokonywać przemiany fazowe, tj. np. podczas

nagrzewania stopu powinna zachodzić przemiany alotropowe lub powinna występować wyraźna zmiana

rozpuszczalności pewnych jego składników.

Na podstawie wykresu równowagi fazowej danego układu można ustalić jak; rodzaj obróbki cieplnej można

zastosować do danego stopu i w jakich zakresach temperatury należy tę obróbkę przeprowadzić.

W związku z tym proces obróbki cieplnej stali należy rozpatrywać, korzystając wykresu równowagi fazowej

układu żelazo-cementyt (rys. 5.1). Temperatury równowagi faz w tym układzie oraz temperatury przemian

(punkty krytyczne) przyjęto powszechnie oznaczać literą A z odpowiednim wskaźnikiem. Najniższa z tych

docsity.com

19.03.2012 Obróbka cieplna stopów żelaza

2/29keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm

temperatur A1 odpowiada równowadze austenitu z ferrytem i cementytem (linia PSK). Temperatura A2 jest

temperaturą przemiany magnetycznej ferrytu (linia MO). Temperatura A3, wyznaczona przez punkty leżące

na linii GS, jest temperaturą graniczną równowagi austenitu z ferrytem. Temperatura Acm (linia SE) to

graniczna temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym.

Aby odróżnić temperatury początku i końca przemian podczas nagrzewania od tychże temperatur podczas

chłodzenia dodaje się do litery A wskaźnik c w przypadku nagrzewania lub wskaźnik rw przypadku

chłodzenia (np. Ac1, Ar3).

Rys. 5.1. Fragment wykresu równowagi fazowej żelazo-cementyt

5.1. Podstawowe przemiany fazowe w stali związane z obróbką

cieplną

Przemiany fazowe w stali są wynikiem tego, że wskutek zmiany warunków, np. temperatury, jeden stan staje

się mniej trwały niż drugi. To właśnie jest przyczyną przemian zachodzących w stali. Należy zaznaczyć, że

może w niej występować kilka podstawowych struktur, a istotą najważniejszych przemian jest właśnie

przejście jednej struktury w drugą. Tymi podstawowymi strukturami są:

W procesach obróbki cieplnej stali występują następujące podstawowe przemiany

I. Przemiana ferrytu w austenit

Fea (C) ® Feg(C)

II. Przemiana austenitu w ferryt

Fe g(C) ® Fea (C)

III. Przemiana perlitu w austenit

(Fea (C) + Fe3C) ® Feg (C)

IV. Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne)

docsity.com

19.03.2012 Obróbka cieplna stopów żelaza

3/29keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm

Feg (C) ® Fea (C) + Fe3C

V. Przemiana austenitu w martenzyt

Feg (C) ® Fe�a (C)

VI. Przemiana martenzytu w mieszaninę ferrytu i cementytu

Fe�a (C) ® Fea (C) + Fe3C

5.1.1. Przemiana perlitu w austenit

Przemiana perlitu w austenit przebiega powyżej temperatury równowagi austenitu z ferrytem i cementytem.

Przemiana ta ma charakter dyfuzyjny, tj. zachodzi rozpuszczanie się cementytu i równomierne rozmieszczanie

się węgla w austenicie drogą dyfuzji. W zwykłych warunkach stosunkowo szybkiego nagrzewania stali

występuje opóźnienie przemiany i konieczne jest podwyższenie temperatury, aby przemiana zaszła w

określonym czasie. Perlit przegrzany powyżej temperatury Ac1 przemienia się w austenit z różną szybkością,

zależnie od stopnia przegrzania. Szybkość przebiegu tej przemiany zależy również w znacznym stopniu od

początkowej struktury stali, tj. od stopnia dyspersji cementytu i od jego kształtu. Im drobniejsze są cząstki

cementytu, a tym samym większa ich ogólna powierzchnia, tym szybciej zachodzą opisane przemiany.

Zabieg cieplny polegający na wygrzewaniu stali w celu wytworzenia struktury austenitu przed chłodzeniem

nazywany jest austenityzowaniem.

5.1.2. Zmiana wielkości ziarna austenitu

Przekroczenie temperatury przemiany Ac1 zaznacza się raptownym zmniejszeniem ziarn to znaczy nowo

powstałe ziarna austenitu są zawsze bardzo drobna i w zasadzie ich wymiary nie zależą od wielkości ziarn

perlitu, z którego utworzył się austenit. Rozdrobnienie ziarna austenitu w czasie przemiany jest związane z

tworzeniem się dużej liczby zarodków nowych ziarn na olbrzymiej i bardzo rozwiniętej powierzchni granicznej

między ferrytem i cementytem.

Dalsze nagrzewanie (lub wygrzewanie) po dokonanej przemianie wywołuje rozrost ziarn austenitu (rys. 5.2 i

5.3).

Rys. 5.2. Schemat zmiany wielkości ziarna stali eutektoidalnej w czasie nagrzewania powyżej temperatury A1

docsity.com

19.03.2012 Obróbka cieplna stopów żelaza

4/29keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm

Zjawisko rozrostu jest procesem samorzutnym, gdyż jego następstwem jest zmniejszenie łącznej powierzchni

ziarn (zmniejsza się energia powierzchniowa), wysoka temperatura zapewnia dostatecznie szybki przebieg

tego procesu.

W praktyce rozróżnia się dwa typy stali (rys. 5.3):

stale wykazujące skłonność do rozrostu ziam austenitu, który zaczyna się po niewielkim przekroczeniu

temperatury Ac1 � stale te nazywamy gruboziarnistymi;

stale nie mające skłonności do rozrostu ziam austenitu bezpośrednio po przekroczeniu temperatury

Ac1 W stalach tych ziarno zaczyna się rozrastać dopiero po nagrzaniu ich do temperatury ok. 1000°C.

Zbyt wysokie i długotrwałe wygrzewanie stali podczas austenityzowania powoduje więc rozrost ziarn

austenitu. Z kolei wielkość ziarna perlitu zależy od wyjściowej wielkości ziarna austenitu, z którego powstał

perlit. Im większe są ziarna austenitu, tym większe tworzą się na ogół ziarna perlitu. Powstanie struktury

gruboziarnistej jest niepożądane, gdyż stal taka

charakteryzuje się niższą wytrzymałością i udamością. Dlatego w czasie austenityzowania stali skłonnych do

rozrostu ziarna należy ściśle przestrzegać określonych temperatury i czasu grzania.

Rys. 5.3. Schemat przedstawiający zmianę wielkości ziarna austenitu w czasie nagrzewania stali

gruboziarnistej (krzywa a) i stali drobnoziarnistej (krzywa b)

Rys. 5.4. Stal węglowa o zawartości 0,45%C w stanie wyżarzonym o strukturze gruboziarnistej. Widoczne

ciemne pola perlitu i jasne ziarna ferrytu. 5% Nital. Powiększ.100x

docsity.com

19.03.2012 Obróbka cieplna stopów żelaza

5/29keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm

Rys. 5.5. Stal węglowa o zawartości 0,45% C w stanie normalizowanym. Struktura drobnoziarnista. Traw.

5% Nitalem. Powiększ. 100x

Na rysunku 5.4 przedstawiona jest struktura stali węglowej podeutektoidalnej o zawartości 0,45% C w

stanie przegrzanym, charakteryzującej się dużym ziarnem. Z kolei na rys. 5.5 widoczna jest struktura

drobnoziarnista tej samej stali w stanie normalizowanym, tj. po nagrzewaniu do temperatury tylko ok. 30 ¸

50 oC powyżej temperatury A3 i chłodzeniu na powietrzu.

5.1.3. Przemiana austenitu w struktury perlityczne

Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne) przebiega w temperaturze niższej niż A1.

Rozpoczyna się przy pewnym przechłodzeniu, gdy energia swobodna mieszaniny ferrytu z cementytem

(perlitu) stanie się mniejsza od energii swobodnej austenitu.

Im niższa jest temperatura przemiany, tj. im większe przechłodzenie, tym większa jest różnica swobodnych

energii i tym szybciej przebiega przemiana.

Z drugiej strony przemianie austenitu w perlit towarzyszy dyfuzja połączona z przegrupowaniem węgla, gdyż

powstają dwie fazy znacznie różniące się zawartością węgla od austenitu. Ferryt zawiera bardzo mało węgla

(maks. ok. 0,02%). cementyt zaś 6,67% węgla. Szybkość dyfuzji raptownie zmniejsza się przy obniżaniu

temperatury, w związku z tym wzrost przechłodzenia powoduje zmniejszenie szybkości przebiegu przemiany.

W wyniku łącznego działania obu czynników szybkość przemiany początkowo zwiększa się ze wzrostem

przechłodzenia, osiągając przy pewnej wartości przechłodzenia swe maksimum, a potem zmniejsza się.

Wykresy CTP

Przebieg procesu przemiany przechłodzonego austenitu wygodnie jest rozpatrywać na podstawie wykresów

rozpadu austenitu, zwanych wykresami CTP (czas, temperatura, przemiana). Na wykresach tych naniesione

są linie początku i końca

przemian we współrzędnych logarytm czasu-temperatura, przy czym rozróżnia się wykresy dla przemian

austenitu w warunkach izotermicznych oznaczane CTPi oraz wykresy przemian austenitu w warunkach

chłodzenia ciągłego, oznaczane CTPc. Na rysunku 4.6 podany jest schematycznie wykres CTP; dla stali

węglowej eutektoidalnej. Trwałość przechłodzonego austenitu zmienia się w zależności od temperatury. Dla

stali eutektoidalnej przy małych przechłodzeniach trwałość austenitu jest duża, następnie zmniejsza się i

minimum występuje w temperaturze ok. 500°C, po czym znowu trwałość austenitu jest coraz większa aż do

temperatury ok. 200°C, poniżej której przechłodzony austenit przechodzi w martenzyt.

Wykresy CTPi, buduje się wykorzystując krzywe kinetyczne przemiany austenitu, dla określonego stopnia

docsity.com

19.03.2012 Obróbka cieplna stopów żelaza

6/29keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm

przechłodzenia, wskazujące ilość wytworzonego perlitu w zależności od czasu jaki upłynął od początku

przemiany.

Rys. 5.6. Wykres CTPi przedstawiający linie początku i końca przemian austeniu przechłodzonego w

warunkach izotermicznych

Na rysunku 5.7 pokazano kilka krzywych kinetycznych obrazujących przebieg przemiany w różnych

temperaturach, a więc i przy różnych stopniach przechłodzenia. Jak widać, w początkowym okresie

przemiana odbywa się z bardzo małą prędkością, jest to tzw. okres inkubacyjny. Punkty p1, p2, p3 wskazują

czas, w którym doświadczalnie stwierdza się początek przemiany (wytworzone jest już wówczas ok. 0,5%

perlitu). W miarę upływu czasu wzrasta szybkość przemiany (szybkość ta jest maksymalna, gdy przemianie

uległo ok. 50% austenitu), następnie przebiega ona coraz wolniej, aż wreszcie kończy się w punktach k1, k2,

k3. Z krzywych kinetycznych obrazujących przemianę austenitu w

perlit odmierza się czasy od początku chłodzenia do początków i końców przemiany, a odpowiadające im

przy różnych temperaturach punkty p i k rozmieszcza się w układzie temperatura-log czasu, na prostych

poziomych odpowiadających tym temperaturom. Otrzymuje się w ten sposób wykres CTPi, (rys. 5.7 II).

Struktury, jakie otrzymuje się w wyniku przemiany, zależą od stopnia przechłodzenia austenitu, czyli od

temperatury przemiany.

Zakres temperatury od A1 do ok. 500°C odpowiada przemianie austenitu w perlit. Perlit utworzony w

temperaturze wysokiej przy małym stopniu przechłodzenia jest grubopłytkowy. Natomiast w miarę obniżania

temperatury perlit staje się coraz drobniejszy, jego płytki stają się coraz cieńsze i powstaje struktura o

stosunkowo dużym stopniu dyspersji, która nosi nazwę perlitu drobnego.

docsity.com

19.03.2012 Obróbka cieplna stopów żelaza

7/29keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm

Rys. 5.7. Wykres izotermicznych przemian austenitu dla stali eutektoidalnej; A - austenit, P - perlit, B - bainit,

M �martenzyt

Stopień dyspersji perlitu wpływa na jego własności mechaniczne, tak np. twardość perlitu grubego w

przypadku stali węglowej eutektoidalnej wynosi ok. 15 HRC, a perlitu bardzo drobnego dochodzi do 40

HRC (rys. 5.7).

W stalach podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych przemiana perlityczna poprzedzona jest innymi

przemianami strukturalnymi. W stali podeutektoidalnej z austenitu tworzy się najpierw ferryt, a w stalach

nadeutektoidalnych przed rozpoczęciem przemiany perlitycznej wydziela się z austenitu cementyt (rys. 5.8).

Dalsza przemiana perlityczna przebiega podobnie, jak w stali eutektoidalnej. Na rysunku 5.9 podany jest

schematycznie wykres CTPi, dla stali węglowej podeutektoidalnej, na którym naniesiono dodatkowe linie

przemian izotermicznych (dla różnych temperatur) prowadzących do powstania odpowiednich struktur. Z

kolei rys. 5.10 przedstawia wykres dla tej samej stali ale przy chłodzeniu ciągłym (CTPc); zaznaczono

również linie chłodzenia prowadzące do powstania różnych struktur.

Rys. 5.8. Wykres CTP dla stali: a) podeutektoidalnej, b) nadeutektoidalnej

Obniżenie temperatury rozpadu austenitu powoduje, że przemiana zachodzi w warunkach utrudnionej dyfuzji.

Struktura produktów rozpadu austenitu w takich linkach nosi nazwę bainitu. W przypadku stali

eutektoidalnych przemiana austenitu w bainit zachodzi w temperaturze ok. 500-200°C (rys. 5.6, 5.7), przy

docsity.com

19.03.2012 Obróbka cieplna stopów żelaza

8/29keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm

czym rozróżnia się bainit dolny o strukturze drobnoiglastej i jeszcze większym stopniu dyspersji wydzieleń

cementytu. W odróżnieniu od perlitu ferryt w bainicie zawiera znacznie więcej węgla (tym więcej, im niższa

była temperatura przemiany). Bainit górny wykazuje twardość ok. 45 HRC, natomiast twardość bainitu

dolnego wynosi ok. 55 HRC. Tę stosunkowo dużą twardość tłumaczy się znaczną dyspersją struktury oraz

zniekształceniem sieci.

Rys. 5.10. Wykres przemian austenitu w warunkach chłodzenia ciągłego (CTPc) dla stali podeutektoidalnych

Przykładowe wykresy CTPi I CTPc dla stali 45 (węglowa konstrukcyjna wyższej jakości) przedstawiono

odpowiednio na rysunkach 5.11 i 5.12.

Rys. 5.11. Wykres CTPi stali 45

docsity.com

19.03.2012 Obróbka cieplna stopów żelaza

9/29keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm

Rys. 5.12. Wykres CTPc stali 45

Na wykresach CTPi izotermy reprezentują temperatury Ac1, Ac3 lub Acm oraz Ms i Mf. Krzywe między

izotermami Ac1 i Ms przedstawiają początek i koniec przemian dyfuzyjnych. Dodatkowa linia przed krzywą

początku przemiany odpowiada początkowi wydzielania ferrytu lub cementytu (węglików) w stalach

odpowiednio przed- lub zaeutektoidalnych. Czasami na wykresach umieszcza się dodatkowo: krzywa

odpowiadającą zaawansowaniu przemian dyfuzyjnych w 50%, izotermy odpowiadające uzyskaniu 20,50 lub

90% martenzytu oraz podaje twardości struktur- produktów przemian. Na wykresach CTPc ponadto

nanoszone są linie reprezentujące poszczególne szybkości chłodzenia i odpowiadające im twardości Brinella

lub Vickersa (w kółkach).

5.1.4. Przemiana austenitu w martenzyt

Przemiana austenitu w martenzyt zachodzi poniżej określonej dla danej stali temperatury, oznaczonej zwykle

symbolem Ms (rys. 5.9, 5.10). Temperatura końca przemiany martenzytycznej oznaczona jest przez Mf. W

przypadku stali węglowych temperatury Ms i, Mf obniżają się wraz ze wzrostem zawartości węgla i

składników stopowych, tak że przy większej ich zawartości temperatura Mf może być niższa od 0°C (rys.

5.13) i wobec tego przemiana martenzytyczna zachodzi tylko częściowo W takim przypadku w strukturze

pozostaje pewna ilość tzw. austenitu szczątkowego. Ze względu na niską temperaturę procesu przemiana

martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną. W jej wyniku następuje przebudowa sieci sześciennej zwartej

(regularnej ściennie centrowanej) austenitu na sieć sześcienną centrowaną (regularną przestrzennie

centrowaną) żelaza alfa bez dyfuzji umożliwiającej wydzielanie węgla. Martenzyt w stalach węglowych jest

więc przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie alfa. Wtrącony międzyatomowo węgiel zniekształca

strukturę żelaza alfa, tak, że po przemianie martenzyt ma sieć tetragonalną. Stopień tetragonalności zwiększa

się proporcjonalnie do zawartości węgla w martenzycie; przy zawartości ok. 1,2% C stopień tetragonalności,

czyli stosunek parametrów sieci c/a. wynosi ok. 1,05.

Makroskopowo martenzyt ma charakterystyczną strukturę iglastą, co tłumaczy się tym, że martenzyt składa

się z płytek przesyconego węglem ferrytu, które w płaszczyźnie przecięcia

(wykonania szlifu metalograficznego) są podobne do igieł (rys. 5.14).

docsity.com

19.03.2012 Obróbka cieplna stopów żelaza

10/29keypi.republika.pl/prace/nom/obrobka.htm

Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie temperatury w zakresie od Ms do

Mf.. Przy stałej temperaturze powstawanie martenzytu ustaje. Ponadto przemiana austenitu w martenzyt

może zajść dopiero przy odpowiednio dużej szybkości chłod

zenia. Najmniejsza szybkość chłodzenia, w wyniku której austenit przechodzi wyłącznie w martenzyt,

nazywana jest krytyczną szybkością chłodzenia Vk (rys. 5.15).

Rys. 5.13. Położenie punktów początku Ms i końca Mf przemiany martenzytycznej w zależności od

zawartości węgla

Rys. 5.14. Typowa struktura martenzytu. Stal 35 zahartowana w wodzie. Traw. 2% Nitalem, x500

Rys. 5.15. Przebieg chłodzenia stali z różną szybkością na tle wykresu CTP;

docsity.com

komentarze (0)
Brak komentarzy
Bądź autorem pierwszego komentarza!
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome