Obróbka cieplna - Notatki - Materiałoznastwo - Część 1, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Obróbka cieplna - Notatki - Materiałoznastwo - Część 1 i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity!

5. OBRÓBKA CIEPLNA STOPÓW ELAZA

Zwi!zek mikrostruktury z w"asno#ciami mechanicznymi stali W asno!ci wytrzyma o!ciowe i technologiczne stali s" zwi"zane z jej mikrostruktur" zale#n" w zasadniczy sposób od obróbki cieplnej, tj. od ró#norodnych zabiegów cieplnych, którym stal podlega a. Wykorzystuj"c fizykochemiczne zjawiska wyst$puj"ce przy ogrzewaniu i ozi$bianiu stali mo#na doprowadzi% do wytworzenia si$ w niej najbardziej po#"danych sk adników strukturalnych, nadaj"cych je okre!lone w asno!ci wytrzyma o!ciowe. I tak np. w celu wykonania obróbki skrawaniem stal wy#arza si$ zmi$kczaj"co lub normalizuje, w wyniku czego powstaje struktura ferrytyczno-perlityczna, odznaczaj"ca si$ ma " twardo!ci" i wytrzyma o!ci", ale do!% znaczn" ci"gliwo!ci". W asno!ci takie u atwiaj" wykonanie obróbki wiórowej, wi$c w tym przypadku s" one po#"dane w procesie wytwarzania elementu konstrukcyjnego. Natomiast w gotowym wyrobie, podlegaj"cym znacznym napr$#eniom, struktura ferrytyczno- perlityczna cz$sto nie zapewnia wystarczaj"cej wytrzyma o!ci i twardo!ci. W celu polepszenia tych w asno!ci, przy jednoczesnym uzyskaniu dobrej ci"gliwo!ci i udarno!ci, stosuje si$ ulepszanie cieplne, polegaj"ce na hartowaniu i odpuszczaniu w odpowiednio wysokiej temperaturze, w wyniku czego powstaje struktura sorbityczna. Stal w stanie ulepszonym jest materia em konstrukcyjnym znacznie bardziej warto!ciowym ni# ta sama stal w stanie nieulepszonym. Dlatego jest regu ", #e wysokojako!ciow" stal konstrukcyjn", zw aszcza stopow", nale#y stosowa% jedynie w stanie ulepszonym. Z kolei wyroby podlegaj"ce !cieraniu (np. narz$dzia) powinny odznacza% si$ bardzo du#" twardo!ci". Wykorzystuje si$ wtedy wysok" twardo!% jak" odznacza si$ struktura martenzytyczna powstaj"ca przy hartowaniu. Obróbka cieplna zwyk a jest to rodzaj obróbki cieplnej, w wyniku której uzyskuje si$ zmiany w asno!ci metali i stopów b$d"ce g ównie funkcj" temperatury i czasu. Czasem jednak "czy si$ równie# zabiegi obróbki cieplnej z odkszta caniem-plastycznym, z dzia aniem pola magnetycznego lub te# z dzia aniem chemicznym !rodowiska. Mamy wówczas do czynienia odpowiednio z obróbk" cieplno-plastyczn", cieplno-magnetyczn" lub cieplno- chemiczn".

Zwi!zek obróbki cieplnej z przemianami fazowymi Aby do danego stopu mo#na by o stosowa% poszczególne rodzaje obróbki cieplnej, np. operacje hartowania i odpuszczania lub przesycania i starzenia, powinny si$ w nim dokonywa% przemiany fazowe, tj. np. podczas nagrzewania stopu powinne zachodzi% przemiany alotropowe lub powinna wyst$powa% wyra&na zmiana rozpuszczalno!ci pewnych jego sk adników. Na podstawie wykresu równowagi fazowej danego uk adu mo#na ustali% jak; rodzaj obróbki cieplnej mo#na zastosowa% do danego stopu i w jakich zakresach temperatury nale#y t$ obróbk$ przeprowadzi%. W zwi"zku z tym proces obróbki cieplnej stali nale#y rozpatrywa%, korzystaj"c wykresu równowagi fazowej uk adu #elazo-cementyt (rys. 5.1). Temperatury równowagi faz w tym uk adzie oraz temperatury przemian (punkty krytyczne) przyj$to powszechnie oznacza% liter" A z odpowiednim wska&nikiem. Najni#sza z tych temperatur A 1 odpowiada równowadze austenitu z ferrytem i cementytem (linia PSK ). Temperatura A 2 jest temperatur" przemiany magnetycznej ferrytu (linia MO). Temperatura A 3 , wyznaczona przez punkty le#"ce na linii GS , jest temperatur" graniczn" równowagi austenitu z ferrytem. Temperatura Acm (linia SE ) to graniczna temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym.

Aby odró#ni% temperatury pocz"tku i ko'ca przemian podczas nagrzewania od tych#e temperatur podczas ch odzenia dodaje si$ do litery A wska&nik c w przypadku nagrzewania lub wska&nik r w przypadku ch odzenia (np. Ac1 , Ar3 ).

Rys. 5.1. Fragment wykresu równowagi fazowej #elazo-cementyt

5.1. Podstawowe przemiany fazowe w stali zwi!zane z obróbk! ciepln!

Przemiany fazowe w stali s" wynikiem tego, #e wskutek zmiany warunków, np. temperatury, jeden stan staje si$ mniej trwa y ni# drugi. To w a!nie jest przyczyn" przemian zachodz"cych w stali. Nale#y zaznaczy%, #e mo#e w niej wyst$powa% kilka podstawowych struktur, a istot" najwa#niejszych przemian jest w a!nie przej!cie jednej struktury w drug". Tymi podstawowymi strukturami s":

W procesach obróbki cieplnej stali wyst$puj" nast$puj"ce podstawowe przemiany I. Przemiana ferrytu w austenit Fe ( C )! Fe "( C )

II. Przemiana austenitu w ferryt

Fe (^) "( C )! Fe ( C )

III. Przemiana perlitu w austenit

( Fe ( C ) + Fe 3 C )! Fe "( C )

IV. Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne)

Fe "( C )! Fe ( C ) + Fe 3 C

V. Przemiana austenitu w martenzyt

Fe "( C )! Fe’^ ( C )

VI. Przemiana martenzytu w mieszanin$ ferrytu i cementytu Fe’^ ( C )! Fe ( C ) + Fe 3 C

ferryt Fe (C) austenit Fe"(C) martenzyt Fe '(C)

perlit (Fe (C)+Fe 3 C)

sta y roztwór w$gla w #elazie , sta y roztwór w$gla w #elazie " , sta y, przesycony roztwór w$gla w #elazie (jest to faza metastabilna), eutektoidalna mieszanina ferrytu Fe ( C ) i cementytu Fe 3 C.

Rys. 5.3. Schemat przedstawiaj"cy zmian$ wielko!ci ziarna austenitu w czasie nagrzewania stali gruboziarnistej (krzywa a) i stali drobnoziarnistej (krzywa b)

Rys. 5.4. Stal w$glowa o zawarto!ci 0,45%C Rys. 5.5. Stal w$glowa o zawarto!ci 0,45% C w stanie wy#arzonym o strukturze gruboziar- w stanie normalizowanym. Struktura drobno- nistej. Widoczne ciemne pola perlitu i jasne ziarnista. Traw. 5% Nitalem. Powi$ksz. 100x ziarna ferrytu. 5% Nital. Powi$ksz.100x

Na rysunku 5.4 przedstawiona jest struktura stali w$glowej podeutektoidalnej o zawarto!ci 0,45% C w stanie przegrzanym, charakteryzuj"cej si$ du#ym ziarnem. Z kolei na rys. 5. widoczna jest struktura drobnoziarnista tej samej stali w stanie normalizowanym, tj. po nagrzewaniu do temperatury tylko ok. 30 # 50 oC powy#ej temperatury A 3 i ch odzeniu na powietrzu.

5.1.3. Przemiana austenitu w struktury perlityczne

Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne) przebiega w temperaturze ni#szej ni# A 1. Rozpoczyna si$ przy pewnym przech odzeniu, gdy energia swobodna mieszaniny ferrytu z cementytem (perlitu) stanie si$ mniejsza od energii swobodnej austenitu. Im ni#sza jest temperatura przemiany, tj. im wi$ksze przech odzenie, tym wi$ksza jest ró#nica swobodnych energii i tym szybciej przebiega przemiana. Z drugiej strony przemianie austenitu w perlit towarzyszy dyfuzja po "czona z przegrupowaniem w$gla, gdy# powstaj" dwie fazy znacznie ró#ni"ce si$ zawarto!ci" w$gla od austenitu. Ferryt zawiera bardzo ma o w$gla (maks. ok. 0,02%). cementyt za! 6,67% w$gla. Szybko!% dyfuzji raptownie zmniejsza si$ przy obni#aniu temperatury, w zwi"zku z tym wzrost przech odzenia powoduje zmniejszenie szybko!ci przebiegu przemiany. W wyniku "cznego dzia ania obu czynników szybko!% przemiany pocz"tkowo zwi$ksza si$ ze wzrostem przech odzenia, osi"gaj"c przy pewnej warto!ci przech odzenia swe maksimum, a potem zmniejsza si$.

Wykresy CTP Przebieg procesu przemiany przech odzonego austenitu wygodnie jest rozpatrywa% na podstawie wykresów rozpadu austenitu, zwanych wykresami CTP (czas, temperatura, przemiana). Na wykresach tych naniesione s" linie pocz"tku i ko'ca przemian we wspó rz$dnych logarytm czasu-temperatura, przy czym rozró#nia si$ wykresy dla przemian austenitu w warunkach izotermicznych oznaczane CTPi oraz wykresy przemian austenitu w warunkach ch odzenia ci"g ego, oznaczane CTPc. Na rysunku 4.6 podany jest schematycznie wykres CTP; dla stali w$glowej eutektoidalnej. Trwa o!% przech odzonego austenitu zmienia si$ w zale#no!ci od temperatury. Dla stali eutektoidalnej przy ma ych przech odzeniach trwa o!% austenitu jest du#a, nast$pnie zmniejsza si$ i minimum wyst$puje w temperaturze ok. 500°C, po czym znowu trwa o!% austenitu jest coraz wi$ksza a# do temperatury ok. 200°C, poni#ej której przech odzony austenit przechodzi w martenzyt. Wykresy CTPi, buduje si$ wykorzystuj"c krzywe kinetyczne przemiany austenitu, dla okre!lonego stopnia przech odzenia, wskazuj"ce ilo!% wytworzonego perlitu w zale#no!ci od czasu jaki up yn" od pocz"tku przemiany.

Rys. 5.6. Wykres CTPi przedstawiaj"cy linie pocz"tku i ko'ca przemian austenitu przech odzonego w warunkach izotermicznych

Na rysunku 5.7 pokazano kilka krzywych kinetycznych obrazuj"cych przebieg przemiany w ró#nych temperaturach, a wi$c i przy ró#nych stopniach przech odzenia. Jak wida%, w pocz"tkowym okresie przemiana odbywa si$ z bardzo ma " pr$dko!ci", jest to tzw. okres inkubacyjny. Punkty p 1 , p 2 , p 3 wskazuj" czas, w którym do!wiadczalnie stwierdza si$ pocz"tek przemiany (wytworzone jest ju# wówczas ok. 0,5% perlitu). W miar$ up ywu czasu wzrasta szybko!% przemiany (szybko!% ta jest maksymalna, gdy przemianie uleg o ok. 50% austenitu), nast$pnie przebiega ona coraz wolniej, a# wreszcie ko'czy si$ w punktach k 1 , k 2 , k 3. Z krzywych kinetycznych obrazuj"cych przemian$ austenitu w perlit odmierza si$ czasy od pocz"tku ch odzenia do pocz"tków i ko'ców przemiany, a odpowiadaj"ce im przy ró#nych temperaturach punkty p i k rozmieszcza si$ w uk adzie temperatura-log czasu, na prostych poziomych odpowiadaj"cych tym temperaturom. Otrzymuje si$ w ten sposób wykres CTPi, (rys. 5.7 II). Struktury, jakie otrzymuje si$ w wyniku przemiany, zale#" od stopnia przech odzenia austenitu, czyli od temperatury przemiany. Zakres temperatury od A 1 do ok. 500°C odpowiada przemianie austenitu w perlit. Perlit utworzony w temperaturze wysokiej przy ma ym stopniu przech odzenia jest grubop ytkowy.

Obni#enie temperatury rozpadu austenitu powoduje, #e przemiana zachodzi w warunkach utrudnionej dyfuzji. Struktura produktów rozpadu austenitu w takich linkach nosi nazw$ bainitu. W przypadku stali eutektoidalnych przemiana austenitu w bainit zachodzi w temperaturze ok. 500-200°C (rys. 5.6, 5.7), przy czym rozró#nia si$ bainit dolny o strukturze drobnoiglastej i jeszcze wi$kszym stopniu dyspersji wydziele' cementytu. W odró#nieniu od perlitu ferryt w bainicie zawiera znacznie wi$cej w$gla (tym wi$cej, im ni#sza by a temperatura przemiany). Bainit górny wykazuje twardo!% ok. 45 HRC, natomiast twardo!% bainitu dolnego wynosi ok. 55 HRC. T$ stosunkowo du#" twardo!% t umaczy si$ znaczn" dyspersj" struktury oraz zniekszta ceniem sieci.

Rys. 5.10. Wykres przemian austenitu w warunkach ch odzenia ci"g ego (CTPc) dla stali podeutektoidalnych

Przyk adowe wykresy CTPi I CTPc dla stali 45 (w$glowa konstrukcyjna wy#szej jako!ci) przedstawiono odpowiednio na rysunkach 5.11 i 5.12.

Rys. 5.11. Wykres CTPi stali 45

Rys. 5.12. Wykres CTPc stali 45

Na wykresach CTPi izotermy reprezentuj" temperatury Ac1, Ac3 lub Acm oraz Ms i Mf. Krzywe mi$dzy izotermami Ac1 i Ms przedstawiaj" pocz"tek i koniec przemian dyfuzyjnych. Dodatkowa linia przed krzyw" pocz"tku przemiany odpowiada pocz"tkowi wydzielania ferrytu lub cementytu (w$glików) w stalach odpowiednio przed- lub zaeutektoidalnych. Czasami na wykresach umieszcza si$ dodatkowo: krzywa odpowiadaj"c" zaawansowaniu przemian dyfuzyjnych w 50%, izotermy odpowiadaj"ce uzyskaniu 20, 50 lub 90% martenzytu oraz podaje twardo!ci struktur- produktów przemian. Na wykresach CTPc ponadto nanoszone s" linie reprezentuj"ce poszczególne szybko!ci ch odzenia i odpowiadaj"ce im twardo!ci Brinella lub Vickersa (w kó kach).

5.1.4. Przemiana austenitu w martenzyt

Przemiana austenitu w martenzyt zachodzi poni#ej okre!lonej dla danej stali temperatury, oznaczonej zwykle symbolem Ms (rys. 5.9, 5.10). Temperatura ko'ca przemiany martenzytycznej oznaczona jest przez Mf. W przypadku stali w$glowych temperatury Ms i, Mf obni#aj" si$ wraz ze wzrostem zawarto!ci w$gla i sk adników stopowych, tak #e przy wi$kszej ich zawarto!ci temperatura Mf mo#e by% ni#sza od 0°C (rys. 5.13) i wobec tego przemiana martenzytyczna zachodzi tylko cz$!ciowo W takim przypadku w strukturze pozostaje pewna ilo!% tzw. austenitu szcz"tkowego. Ze wzgl$du na nisk" temperatur$ procesu przemiana martenzytyczna jest przemian" bezdyfuzyjn". W jej wyniku nast$puje przebudowa sieci sze!ciennej zwartej (regularnej !ciennie centrowanej) austenitu na sie% sze!cienn" centrowan" (regularn" przestrzennie centrowan") #elaza alfa bez dyfuzji umo#liwiaj"cej wydzielanie w$gla. Martenzyt w stalach w$glowych jest wi$c przesyconym roztworem sta ym w$gla w #elazie alfa. Wtr"cony mi$dzyatomowo w$giel zniekszta ca struktur$ #elaza alfa, tak, #e po przemianie martenzyt ma sie% tetragonaln". Stopie' tetragonalno!ci zwi$ksza si$ proporcjonalnie do zawarto!ci w$gla w martenzycie; przy zawarto!ci ok. 1,2% C stopie' tetragonalno!ci, czyli stosunek parametrów sieci c/a. wynosi ok. 1,05. Makroskopowo martenzyt ma charakterystyczn" struktur$ iglast", co t umaczy si$ tym, #e martenzyt sk ada si$ z p ytek przesyconego w$glem ferrytu, które w p aszczy&nie przeci$cia (wykonania szlifu metalograficznego) s" podobne do igie (rys. 5.14).

Rys. 4.14. Porównanie po o#enia i kszta tu linii pocz"tku przemiany przech odzonego austenitu na wykresach CTP: a) dla stali w$glowej i dla stali stopowych zawieraj"cych pierwiastki nie tworz"ce w$glików, b) dla stali w$glowej i dla stali stopowych zawieraj"cych pierwiastki w$glikotwórcze

4.1.5. Przemiany zachodz!ce podczas odpuszczania martenzytu

Martenzyt, który powstaje w wyniku szybkiego ch odzenia austenitu, czyli hartowania, jest struktur" metastabiln", która ju# po niewielkim podgrzaniu zaczyna ulega% przemianom. Operacja obróbki cieplnej, polegaj"ca na wygrzewaniu zahartowanej stali w zakresie temperatur le#"cych poni#ej temperatury A 1 , i nast$pnie ch odzeniu, nosi ogólnie nazw$ odpuszczania. Podczas odpuszczania martenzytu w stalach w$glowych i niskostopowych mo#na obserwowa% kolejno, w poszczególnych zakresach temperatur, nast$puj"ce zmiany: I. W zakresie temperatury 80-200°C nast$puje przemiana martenzytu tetragonalnego w martenzyt regularny - zwany te# martenzytem odpuszczonym - co zwi"zane jest z wydzielaniem w$gla z martenzytu w postaci w$glika $. W$glik ten wykazuje zmienny sk ad wahaj"cy si$ w granicach Fe 2 C-Fe 3 C. Przemiana w tym zakresie temperatury zwi"zana jest ze skurczem próbki, co mo#na zarejestrowa% za pomoc" bada' dylatometrycznych (rys. 5.17).

Rys. 5.17. Krzywa dylatometryczna przedstawiaj"ca ró#ne stadia przemian zachodz"cych w czasie odpuszczania stali zahartowanej; %l - przyrost d ugo!ci próbki

II. W zakresie temperatury 200 -300°C zachodzi przemiana austenitu szcz"tkowego w martenzyt odpuszczony i w$glik #elaza, a tak#e zachodzi w dalszym ci"gu wydzielanie w$glika z martenzytu. Poniewa# obj$to!% w a!ciwa austenitu jest mniejsza ni# martenzytu w tym stadium przemiany obserwuje si$ rozszerzanie si$ próbki (rys. 5.18). III. W zakresie temperatury 300-400°C nast$puje zarodkowanie i wzrost wydziele' cementytu Fe 3 C, przy czym w$glik $ rozpuszcza si$, a w$giel dyfunduje do rosn"cych wydziele' cementytu Fe 3 C. W tym stadium zachodzi równie# intensywny proces zanikania napr$#e' w asnych. W temperaturze ok. 400°C zawarto!% w$gla w ferrycie osi"ga ju# warto!% odpowiadaj"c" stanowi równowagi. W czasie tych przemian obserwuje si$ skurcz próbki. IV. Przy dalszym nagrzewaniu stali zahartowanej powy#ej 400°C nast$puje proces koagulacji wydziele' cementytu, a wyj!ciowe ig y martenzytu ulegaj" zdrowieniu.- i rekrystalizacji. Przy najwy#szych temperaturach odpuszczania procesami dominuj"cymi staj" si$ rozrost ziarna i sferroidyzacja cementytu. Struktura sk ada si$ z ferrytu i cementytu drobnoziarnistego i nosi nazw$ sorbitu (rys. 5.18).

Rys. 5.18. Mikrostruktura stali o zawarto!ci 0,35% C zahartowanej i odpuszczonej w 600°C. Sorbit. Traw. 2% Nitalem. x

Na rysunku 4.17 przedstawione s" schematycznie kolejne stadia procesów zawodz"cych w czasie odpuszczania zahartowanej stali.

Rys. 5.19. Schemat przedstawiaj"cy procesy zachodz"ce podczas odpuszczania zahartowanej stali