Obróbka cieplna stali
Zabiegi wywołujące polepszenie właściwości mechanicznych i fizyczno–chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w wyniku zmian temperatury, czasu oraz ośrodka.
RODZAJE OBRÓBKI CIEPLNEJ
Czynniki wpływające na kształtowanie struktury i właściwości metali i stopów - rodzaje obróbki cieplnej:
Ø obróbkę cieplną zwykłą,
Ø obróbkę cieplno–mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno–plastyczną),
Ø obróbkę cieplno–chemiczną,
Ø obróbkę cieplno–magnetyczną.
Obróbka cieplna zwykła - zmiany struktury i właściwości - zmianami temperatury i czasu.
Obróbka cieplno–mechaniczna (cieplno–plastyczna) - wpływ odkształcenia plastycznego.
Obróbka cieplno–chemiczna - wpływ na skład chemiczny, strukturę i właściwości warstwy wierzchniej wywiera ośrodek, w którym odbywa się obróbka.
Obróbka cieplno–magnetyczna - wpływ pola magnetycznego.
OPERACJE I ZABIGI OBRÓBKI CIEPLNEJ
Częściami operacji obróbki cieplnej są zabiegi obróbki cieplnej.
Zabiegi obróbki cieplnej:
Ø nagrzewanie,
Ø wygrzewanie,
Ø chłodzenie.
Nagrzewanie - ciągłe lub stopniowe podwyższanie temperatury elementu obrabianego cieplnie.
Wygrzewanie - wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w docelowej lub pośredniej temperaturze
.
Chłodzenie - ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu. Studzeniem - chłodzenie z małą szybkością.
Oziębianie – chłodzenie z dużą szybkością.
Wychładzanie – wytrzymanie elementu obrabianego cieplnie w pośredniej lub docelowej temperaturze podczas chłodzenia.
Zmiany temp. podczas operacji obróbki cieplnej
PRZEMIANY W STALI PODCZAS CHŁODZENIA
W stali nagrzanej do temperatury austenityzowania (linia PS – Ac 1 – 7270C), podczas wolnego chłodzenia zachodzą przemiany zgodnie z wykresem równowagi faz żelazo–cementyt.
Większe szybkości chłodzenia - powodują przesunięcie przemian do niższej temperatury.
W czasie chłodzenia austenitu, w zależności od szybkości chłodzenia i temperatury przechłodzenia, mogą zachodzić przemiany:
Ø martenzytyczna,
Ø bainityczna,
Ø perlityczna.
MECHANIZM PRZEMIANY MARTENZYTYCZNEJ
Zależność temp. początku Ms i końca Mf przemiany martenzytycznej od stężenia C w stalach niestopowych
Przemiana martenzytyczna – bezdyfuzyjna, zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury Ms - początku przemiany.
W wyniku przemiany powstaje martenzyt - przesycony roztwór węgla w żelazie a.
Sieciowa komórka elementarna martenzytu
Przemiana martenzytyczna - ciągłe obniżanie temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany Ms, do temperatury Mf końca. Wartości temperatury Ms i Mf zależą od składu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al i Co.
MORFOLOGIA MARTENZYTU
W wyniku przemiany martenzytycznej w stalach tworzą się dwa rodzaje martenzytu:
Ø listwowy,
Ø płytkowy;
Martenzyt listwowy powstaje - w stopach żelaza z pierwiastkami stopowymi.
Pojedynczy kryształ ma kształt listwy – listwy martenzytu układają się równolegle względem siebie tworząc tzw. pakiety.
Martenzyt płytkowy powstaje w nielicznych stopach żelaza.
Kryształy martenzytu mają kształt płytek zbliżonych do soczewek. Wielkość płytek jest zróżnicowana. Płytki martenzytu mogą być zbliźniaczone całkowicie lub częściowo.
MARTENZYT - POSTACIE
Martenzyt płytkowy: a) całkowicie zbliźniaczony, b) częściowo zbliźniaczony
MECHANIZM PRZEMIANY BAINITYCZNEJ
Przemiana bainityczna - przemiana bezdyfuzyjnego i dyfuzyjnego przemieszczania węgla.
Przechłodzenie stali do temperatury w zakresie ok. 450÷200°C – w wyniku przemiany powstaje bainit - mieszanina ferrytu przesyconego węglem i dyspersyjnych węglików.
W obszarach przechłodzonego austenitu o małym stężeniu węgla i wysokiej temperaturze Ms zachodzi bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna.
W austenicie o dużym stężeniu węgla następuje dyfuzyjny proces wydzielania cząstek cementytu - tworzą się nowe obszary niskowęglowego austenitu - ulegające bezdyfuzyjnej przemianie martenzytycznej.
W obszarach, które uległy przemianie martenzytycznej, podczas dalszego chłodzenia następuje wydzielanie cementytu. Rozrost bainitu jest kontrolowany szybkością dyfuzji węgla w austenicie.
MORFOLOGIA BAINITU
W zależności od temperatury przechłodzenia rozróżnia się:
Ø bainit górny,
Ø bainit dolny.
Bainit górny – ziarna przesyconego węglem ferrytu z wydzieleniami węglików oraz z austenitu szczątkowego.
Bainit dolny – listwy przesyconego węglem ferrytu, płytek węglików, oraz z austenitu szczątkowego.
MECHANIZM PRZEMIANY PERLITYCZNEJ
Przemiana perlityczna - ochłodzenie austenitu poniżej temperatury Ar1 (linia PS – 7270C).
Z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna - płytki ferrytu i cementytu - perlit.
Przemiana perlityczna – dyfuzyjna - przegrupowanie atomów węgla - zachodzi przez zarodkowanie.
Zarodkowanie perlitu - na cząstkach cementytu, płytkach ferrytu, a w jednorodnym austenicie – na granicach ziarn.
Przemiana perlityczna: a) tworzenie się płytek cementytu i ferrytu z przechłodzonego austenitu, b) zapoczątkowanie przemiany perlitycznej w ziarnach przechłodzonego austenitu, c) wzrost kolonii perlitu
Schemat tworzenia perlitu z przechłodzonego austenitu
Wzrost płytki cementytu (bogatej w węgiel) ® zmniejszenie stężenia węgla w austenicie do wartości Cα ® powstanie płytki ferrytu.
W wyniku ograniczonej rozpuszczalności węgla w ferrycie jego nadmiar wzbogaca austenit w pobliżu utworzonej płytki ferrytu, umożliwiając tworzenie kolejnej płytki cementytu. Proces kolejnego dobudowywania płytek trwa aż do wyczerpania się austenitu.
WYŻARZANIE
Wyżarzanie - nagrzanie stali do określonej temperatury - wygrzanie w tej temperaturze - studzenie w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi.
Fragment wykresu żelazo-cementyt z zaznaczonymi temp. wyżarzania i hartowania stali niestopowych
Wyżarzanie - operacje:
Ø nie zachodzą przemiany alotropowe (wyżarzanie rekrystalizujące, odprężające),
Ø zachodzą przemiany alotropowe, decydujące o końcowej strukturze (wyżarzanie normalizujące, zupełne, izotermiczne, sferoidyzujące)
WYŻARZANIE UJEDNORODNIAJĄCE
Nagrzanie stali do temperatury 1050÷1200°C (ok. 100÷200°C niższej od temperatury solidusu) - wygrzaniu w zakresie temperatury - studzeniu.
Celem - ograniczenie niejednorodności składu chemicznego.
WYŻARZANIE REKRYSTALIZUJĄCE
Nagrzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji - wygrzaniu w tej temperaturze - chłodzeniu.
Wyżarzanie rekrystalizujące - podczas walcowania lub ciągnienia metali na zimno - usuwa umocnienie zgniotowi - zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie właściwości plastycznych metalu.
WYŻARZANIE ODPRĘŻAJĄCE
Nagrzanie stali do temperatury niższej od Ac1 - wygrzaniu...
wojtek0018