Obróbka cieplna stopów żelaza.pdf

19.03.2012

Obróbka cieplna stopów elaza

Związek mikrostruktury z własnościami mechanicznymi stali

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

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

fizykochemiczne zjawiska występujące przy ogrzewaniu i oziębianiu stali mona doprowadzić do

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

własności wytrzymałościowe.

I tak np. w celu wykonania obróbki skrawaniem stal wyarza 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 poądane w procesie wytwarzania elementu konstrukcyjnego.

Natomiast w gotowym wyrobie, podlegającym znacznym napręeniom, 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 ni ta

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

stopową, naley stosować jedynie w stanie ulepszonym.

Z kolei wyroby podlegające ścieraniu (np. narzędzia) powinny odznaczać się bardzo duą 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 równie zabiegi obróbki cieplnej z odkształcaniem-plastycznym, z działaniem pola

magnetycznego lub te 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 mona 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 mona ustalić jak; rodzaj obróbki cieplnej mona

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

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

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

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

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

1/29

19.03.2012

Obróbka cieplna stopów elaza

temperatur A 1 odpowiada równowadze austenitu z ferrytem i cementytem (linia PSK). Temperatura A 2 jest

temperaturą przemiany magnetycznej ferrytu (linia MO). Temperatura A 3 , wyznaczona przez punkty leące

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

graniczna temperatura równowagi austenitu z cementytem wtórnym.

Aby odrónić temperatury początku i końca przemian podczas nagrzewania od tyche temperatur podczas

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

chłodzenia (np. A c1 , A r3 ).

Rys. 5.1. Fragment wykresu równowagi fazowej elazo-cementyt

5.1. Podstawowe przemiany fazowe w stali związane z obróbką

cieplną

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

się mniej trwały ni drugi. To właśnie jest przyczyną przemian zachodzących w stali. Naley zaznaczyć, e

moe w niej występować kilka podstawowych struktur, a istotą najwaniejszych 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) + Fe 3 C) ® Feg (C)

IV. Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne)

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

2/29

19.03.2012

Obróbka cieplna stopów elaza

Feg (C) ® Fea (C) + Fe 3 C

V. Przemiana austenitu w martenzyt

Feg (C) ® Fe a (C)

VI. Przemiana martenzytu w mieszaninę ferrytu i cementytu

Fe a (C) ® Fea(C) + Fe 3 C

5.1.1. Przemiana perlitu w austenit

Przemiana perlitu w austenit przebiega powyej 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 podwyszenie temperatury, aby przemiana zaszła w

określonym czasie. Perlit przegrzany powyej temperatury A c1 przemienia się w austenit z róną szybkością,

zalenie od stopnia przegrzania. Szybkość przebiegu tej przemiany zaley równie 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 A c1 zaznacza się raptownym zmniejszeniem ziarn to znaczy nowo

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

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

tworzeniem się duej 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 powyej temperatury A 1

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

3/29

19.03.2012

Obróbka cieplna stopów elaza

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

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

tego procesu.

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

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

temperatury A c1 stale te nazywamy gruboziarnistymi;

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

A c1 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 zaley 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 niepoądane, gdy stal taka

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

rozrostu ziarna naley 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 wyarzonym o strukturze gruboziarnistej. Widoczne

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

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

4/29

19.03.2012

Obróbka cieplna stopów elaza

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 duym 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 o C powyej temperatury A 3 i chłodzeniu na powietrzu.

5.1.3. Przemiana austenitu w struktury perlityczne

Przemiana austenitu w struktury perlityczne (lub bainityczne) przebiega w temperaturze niszej ni A 1 .

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

(perlitu) stanie się mniejsza od energii swobodnej austenitu.

Im nisza jest temperatura przemiany, tj. im większe przechłodzenie, tym większa jest rónica swobodnych

energii i tym szybciej przebiega przemiana.

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

powstają dwie fazy znacznie róniące 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 obnianiu

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 rozrónia się wykresy dla przemian

austenitu w warunkach izotermicznych oznaczane CTP i oraz wykresy przemian austenitu w warunkach

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

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

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

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

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

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

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

5/29

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: