Pobierz Wpływ hartowania izotermicznego na właściwości stali bainitycznych i więcej Streszczenia w PDF z Topografia tylko na Docsity!
PRACA DYPLOMOWA
MAGISTERSKA
IMIĘ I NAZWISKO A UTORA PRACY DYPLOMOW EJ: Jarosław Chodkowski
TEMAT:
„Wpływ warunków hartowania izotermicznego na właściwości użytkowe stali
bainitycznych na przykładzie obróbki cieplnej stali typu ŁH15”
SUBJECT:
„Effect of isothermal hardening conditions on the properties of bainitic steel –
the case of heat treatment steel ŁH15”
NR A LBUMU: 191311
PROMOTOR: dr hab. inż. Krzysztof Rożniatowski
ZAKŁAD PROJEKTOWANIA MATERIAŁÓW
WARSZAWA 2011
POLITECHNIKA WARSZAWSKA
WYDZIAŁ
INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ
SPIS TREŚCI
I. Studium Literaturowe
1. Wstęp
Struktura materiałów, w szczególności metalicznych, wywiera znaczny wpływ na ich właściwości. Stosując procesy technologiczne zmieniające strukturę materiału, można w pewnych granicach celowo kształtować jego właściwości. Należy zwrócić uwagę na fakt, że wyraźną zależność od struktury wykazują właściwości mechaniczne, elektryczne, magnetyczne i odporność na korozję, natomiast zależność od struktury pozostałych właściwości np. cieplnych jest pomijalna (rys.1 i rys.2).
Rysunek. 1. Ruda Żelaza [5] Rysunek. 2. Kadr z filmu „Ironman” [6]
Najpopularniejszym sposobem kształtowania własno ści stopów metali jest obróbka cieplna. Polska norma PN-76-H/0- 01200 obróbkę cieplną definiuje jako „proces technologiczny, w wyniku którego zmienia się własności mechaniczne i fizykochemiczne metali i stopów w stanie stałym, przede wszystkim przez wywołanie zmian strukturalnych będących głównie funkcją temperatury, czasu oraz działania środowiska"[7]. Można powiedzieć ogólnie, że obróbka cieplna jest sposobem wykorzystującym przemiany aktywowane cieplnie, jakie zachodzą w metalach, w celu osiągnięcia wymaganych właściwości mechanicznych czy fizykochemicznych, o ile nie jest celem zmiana składu chemicznego przypowierzchniowej warstwy metalu. Jej podstawą są głównie zmiany strukturalne zachodzące w stopach pod wpływem przemian alotropowych
i zmiany wzajemnej rozpuszczalności składników w stanie stałym. Warunkiem możliwości stosowania szeregu rodzajów obróbek cieplnych jest więc konieczność aby przynajmniej jeden ze składników stopu był polimorficzny lub posiadał zmienną rozpuszczalność innego składnika w stanie stałym. Nie zawsze jednak spełnienie któregoś z wymienionych warunków w określonym stopie i po zastosowaniu do niego obróbki cieplnej musi skutkować opłacalnym efektem. Istotą obróbki cieplnej w sensie czynności praktycznych jest nagrzewanie stopu- metalu z określoną prędkością do założonej temperatury, wygrzanie w tej temperaturze w wymaganym czasie i chłodzenie z różnymi prędkościami. Te cząstkowe okresy obróbki nazywa się zabiegami a cały ich zespół nosi nazwę operacji. Warto odnotować, że w naszym kręgu cywilizacji pewne obróbki cieplne stosowano do stali już ponad 2OOO lat temu, o czym mówią zapiski greckie (Pliniusz 23 r.pne.) Świadczy to o istotnej potrzebie człowieka uzyskiwania coraz lepszych właściwości materiałów, z których wytwarza się przedmioty użytkowe (rys. 3).
Rysunek. 3. Kuźnia [8]
Odpowiedzią na zapotrzebowanie otrzymywania materiałów o coraz lepszych właściwościach jest niniejsza praca będąca elementem składowym jednego z nowatorskich działań prowadzonych przez Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej. Jest to projekt rozwojowy zatytułowany: ”System do wyznaczania optymalnej temperatury
2. Obróbka cieplna
Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury oraz właściwości metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:
- obróbkę cieplną zwykłą,
- obróbkę cieplno-chemiczną,
- obróbkę cieplno- mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno-plastyczną),
- obróbkę cieplno- magnetyczną.
Rysunek 4. Schemat przedstawiający rodzaje obróbki cieplnej [1]
Podstawowymi parametrami, które decydują o przemianach fazowych są: szybkość nagrzewania, temperatura wygrzewania, czas nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia oraz szybkość chłodzenia w zależności od temperatury wygrzewania (rys. 5). Nagrzewanie i chłodzenie materiału może przebiegać w sposób ciągły lub stopniowy. Podczas nagrzewania stopniowego rozróżnia się: podgrzewanie - nagrzewanie do temperatury pośredniej i dogrzewanie - nagrzewanie do temperatury wygrzewania. Podobnie podczas chłodzenia stopniowego wyróżniamy pojęcia: podchładzanie - chłodzenie do temperatury pośredniej oraz wychładzanie - chłodzenie do temperatury końcowej. Chłodzenie powolne (w piecu, spokojnym powietrzu) nazywamy studzeniem, natomiast chłodzenie szybkie (w wodzie, oleju) nazywamy oziębianiem.
Rysunek 5. Podstawowe etapy obróbki cieplnej
Temperatura
Czas Nagrzewanie Wygrzewanie Chłodzenie
Ogólnie wykresy równowagi obrazują: a) przemiany w stanie ciekłym (zmiany rozpuszczalności), b) zmiany stanu skupienia (krzepnięcie, topnienie), c) przemiany w stanie stałym (zmiany rozpuszczalności, przemiany alotropowe, eutektoidalne itp.), d) tworzenie się lub rozpad faz międzymetalicznych w stanie ciekłym, w czasie zmiany stanu skupienia lub w stanie stałym. Wykresy równowagi podają w zasadzie tylko budowę fazową stopów, tzn. można z nich wnioskować, z jakich faz stop jest zbudowany, w jakim stosunku ilościowym te fazy pozostają i jaki jest ich skład chemiczny. Inaczej mówiąc, wykresy równowagi przedstawiają graficznie stan stopu. Jeśli zachodzi zmiana jego składu c hemicznego, temperatury lub ciśnienia, zmienia się również stan stopu, co znajduje odwzorowanie graficzne na wykresie równowagi. Wykres równowagi obrazuje stany trwałe stopu, tj. stany, którym w danych warunkach odpowiada najmniejszy zasób energii swobodnej układu. Również zmiany stanu stopu odwzorowane na wykresie odpowiadają warunkom równowagi, tzn. nie uwzględniają zjawisk przegrzania lub przechłodzenia, które w rzeczywistości mają zawsze miejsce (oczywiście w różnym stopniu). Dlatego wykres równowagi stopu jest wykresem teoretycznym, a posługiwanie się nim jest uwarunkowane rozpatrywaniem przemian przy małych szybkościach nagrzewania lub chłodzenia, gdy zjawiska przegrzania lub przechłodzenia występują w minimalnym stopniu i praktycznie można je pominąć. Ogólne zasady określające współistnienie trwałych faz odpowiadających teoretycznym warunkom równowagi wyraża matematycznie tzw. reguła faz , zwana także regułą Gibbsa. Podaje ona ilościową zależność między liczbą stopni swobody danego stopu czy metalu, a liczbą jego faz i składników. Posługując się regułą faz można przewidzieć, w jakich warunkach temperaturowych przebiegają przemiany fazowe (w stałej temperaturze, czy w zakresie temperatur) i jakie czynniki mogą ulegać pewnym zmianom bez naruszenia stanu równowagi. Na podstawie wykresu równowagi fazowej danego układu można ustalić jaki rodzaj obróbki cieplnej można zastosować do danego stopu i w jakich zakresach temperatury należy tę obróbkę przeprowadzić. W związku z tym proces obróbki cieplnej dla stali stopu złożonego z węgla, należy rozpatrywać, korzystając z wykresu równowagi fazowej układu żelazo-cementyt (rys. 7). Temperatury równowagi faz w tym układzie oraz temperatury przemian (punkty
krytyczne) przyjęto powszechnie oznaczać literą A z odpowiednim wskaźnikiem. Najniższa z tych temperatur A 1 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 r w przypadku chłodzenia (np. Ac1 , Ar3 ).
Rysunek 7. Fragment wykresu równowagi fazowej żelazo-cementyt [2]
5. Przemiany stali przy nagrzewaniu
Austenit tworzy się w wyniku przemiany eutektoidalnej zachodzącej przy nagrzewaniu powyżej temperatury Ac 1 (P +Fe 3 CS) a także wskutek przemiany ferrytu w stalach podeutektoidalnych (P GSG). W stalach nadeutektoidalnych, po zakończeniu przemiany eutektoidalnej, w trakcie dalszego nagrzewania w austenicie rozpuszcza się cementyt drugorzędowy (Fe 3 C”SE). Zarodki austenitu powstają na granicach międzyfazowych. W stopach żelazo-węgiel procesem, który kontroluje szybkość tworzenia się austenitu jest dyfuzja międzywęzłowych atomów węgla ponieważ tylko ten pierwiastek mus i dyfundować na większe odległości. Zajmujące pozycje węzłowe atomy żelaza przechodzą tylko przez granice międzyfazowe i wbudowują się w strukturę austenitu, przemieszczając się na odległość zaledwie kilku średnic atomowych. Przemiana perlitu w austenit jest związana z rozdrobnieniem ziarna, ponieważ zarodki austenitu tworzą się nie tylko na granicach ziarn ale również w objętości każdego z ziarn perlitu na bardzo rozbudowanej powierzchni między płytkami ferrytu i cementytu, (rys. 8).
Rys. 8 Schemat przemiany perlitu w austenit [16]
Podczas przejścia przez zakres Ac1 zawsze następuje rozdrobnienie struktury, gdyż jeden obszar (ziarno) perlitu rozpada się na wiele ziaren austenitu. Przekroczenie temperatury tej przemiany 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 dużej i bardzo rozwiniętej powierzchni granicznej między ferrytem i cementytem. Rozrost ziarn austenitu następuje w wyniku wytrzymania w temperaturze znacznie powyżej Ac3, rys 9.
Rysunek 9. Schemat zmian strukturalnych w stali (0,35% C), a) przy nagrzewaniu, b) przy chłodzeniu [16]
tworzą się na ogół ziarna perlitu. Powstanie struktury gruboziarnistej jest niepożądane, gdyż stal taka charakteryzuje się niższą wytrzymałością i udarnością. Dlatego w czasie austenityzowania stali skłonnych do rozrostu ziarna należy ściśle przestrzegać określonych temperatury i czasu grzania. Dla stali umownie drobnoziarnistej (rys. 11 ) (odtlenionej aluminium), w miarę wzrostu temperatury ziarna austenitu rosną najpierw bardzo wolno, a poczynając od pewnej temperatury następuje ich gwałtowny rozrost. W stalach umownie gruboziarnistych (odtlenionych żelazomanganem) rozrost ziarna auste nitu następuje natychmiast po zakończeniu przemiany perlitu w austenit. Aluminium dodane jako odtleniacz do stali powoduje powstanie dyspersyjnych azotków (AlN), które odgrywają rolę przeszkód hamujących rozrost ziarna austenitu. Rozrost ziarna austenitu możliwy jest dopiero po rozpuszczeniu tych wydzieleń (w temperaturze ok. 950 1000 °C).
Rysunek 11. Wpływ temp. na wielkość ziarna austenitu w stalach eutektoidalnych [15]
6. Przemiany stali w czasie chłodzeniu
Przebieg procesu przemiany przechłodzonego austenitu można 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 12 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 przechłodzenia, wskazujące ilość wytworzonego perlitu w zależności od czasu jaki upłynął od początku przemiany.
Rysunek 12. Wykres CTPi przedstawiający linie początku i końca przemian austenitu przechłodzonego w warunkach izotermicznych [16]
6.1 Przemiana martenzytyczna
Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i polega tylko na przebudowie struktury krystalicznej z regularnej ściennie centrowanej austenitu na regularną przestrzennie centrowaną martenzytu bez dyfuzji umożliwiającej wydzielanie węgla. W zależności od zawartości węgla w martenzycie, struktura regularna przestrzennie centrowana ulega zniekształceniu tetragonalnemu i przekształca się w tetragonalną przestrzennie centrowaną (tetragonalność martenzytu oceniana jest ilorazem c/a w stalach zależy od zawartości węgla np. c/a = 1+0,045 %C). Przy zawartości ok. 1,2% C stopień tetragonalności, czyli stosunek parametrów sieci c/a. wynosi ok. 1,05.
Rysunek 15. Schemat kolejnych stadiów zmiany sieci krystalicznej austenitu w sieć martenzytu [16] a) graniastosłup skośny utworzony przez atomy leżące na płaszczyznach {111} w sieci RSC, b) pod działaniem siły tnącej graniastosłup ulega wyprostowaniu, c) graniastosłup prosty utworzony przez atomy sieci RPC leżące na płaszczyznach {110}.
Martenzytem w stalach węglowych jest więc przesycony roztwór stałym węgla w żelazie α. 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.
Przemiana martenzytyczna w stalach zachodzi w warunkach ciągłego chłodzenia w zakresie pomiędzy temperaturą Ms (martenzyt start) a temperaturą Mf (martenzyt koniec od ang. martensite finish). Temperatury Ms i Mf zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze wzrostem zawartości węgla oraz większości pierwiastków stopowych, poza Al i Co (rys. 16). Siłą napędową przemiany jest duża rożnica energi swobodnej austenitu i martenzytu w temperaturze Ms (rys. 17).
Rysunek 16. Wpływ stężnienia pierwiastków stopowych na temperaturę Ms [2]
Rysunek 17. Schemat zmian energii swobodnej austenitu, perlitu i martenzytu [2]
