Obróbka cieplna stali jest najpotężniejszym mechanizmem wpływającym na jej strukturę i właściwości. Opiera się na modyfikacjach sieci krystalicznych w zależności od gry temperatur. Ferryt, perlit, cementyt i austenit mogą być obecne w stopie żelazo-węgiel w różnych warunkach. Ten ostatni odgrywa główną rolę we wszystkich przemianach termicznych stali.
Definicja
Stal jest stopem żelaza i węgla, w którym zawartość węgla teoretycznie wynosi do 2,14%, ale technologicznie stosowana zawiera go w ilości nie większej niż 1,3%. W związku z tym wszystkie struktury, które powstają w nim pod wpływem wpływów zewnętrznych, są również odmianami stopów.
Teoria przedstawia ich istnienie w 4 wariantach: penetrujący roztwór stały, wykluczający roztwór stały, mechaniczna mieszanina ziaren lub związek chemiczny.
Austenit jest stałym roztworem penetracji atomów węgla w sześcienną sześcienną sieć krystaliczną żelaza, określaną jako γ. Atom węgla jest wprowadzany do wnęki γ-sieci żelaza. Jego wymiary przekraczają odpowiadające im pory pomiędzy atomami Fe, co tłumaczy ich ograniczone przechodzenie przez „ściany” głównej struktury. Powstały w procesachprzemiany temperaturowe ferrytu i perlitu wraz ze wzrostem ciepła powyżej 727˚С.
Wykaz stopów żelazo-węgiel
Wykres zwany diagramem stanu żelazo-cementyt, zbudowany eksperymentalnie, jest wyraźną demonstracją wszystkich możliwych opcji transformacji stali i żeliwa. Określone wartości temperatur dla określonej ilości węgla w stopie tworzą punkty krytyczne, w których zachodzą istotne zmiany strukturalne podczas procesów nagrzewania lub chłodzenia, tworzą również linie krytyczne.
Linia GSE, która zawiera punkty Ac3 i Acm, przedstawia poziom rozpuszczalności węgla wraz ze wzrostem poziomu ciepła.
| Tabela rozpuszczalności węgla w austenicie w funkcji temperatury | |||||
| Temperatura, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Przybliżona rozpuszczalność C w austenicie, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Cechy edukacji
Austenit to struktura powstająca podczas podgrzewania stali. Po osiągnięciu temperatury krytycznej perlit i ferryt tworzą integralną substancję.
Opcje ogrzewania:
- Jednolity, aż do osiągnięcia wymaganej wartości, krótka ekspozycja,chłodzenie. W zależności od właściwości stopu austenit może być całkowicie lub częściowo uformowany.
- Powolny wzrost temperatury, długi okres utrzymywania osiągniętego poziomu ciepła w celu uzyskania czystego austenitu.
Właściwości powstałego ogrzanego materiału, a także tego, który nastąpi w wyniku schłodzenia. Wiele zależy od osiągniętego poziomu ciepła. Ważne jest, aby zapobiec przegrzaniu lub przegrzaniu.
Mikrostruktura i właściwości
Każda z faz charakterystycznych dla stopów żelazo-węgiel ma swoją własną strukturę sieci i ziaren. Struktura austenitu jest płytkowa, o kształtach zbliżonych zarówno do iglastych, jak i łuskowatych. Przy całkowitym rozpuszczeniu węgla w żelazie γ, ziarna mają jasny kształt bez obecności ciemnych wtrąceń cementytu.
Twardość wynosi 170-220 HB. Przewodność cieplna i elektryczna są o rząd wielkości niższe niż w przypadku ferrytu. Brak właściwości magnetycznych.
Warianty chłodzenia i jego szybkości prowadzą do powstania różnych modyfikacji stanu „zimnego”: martenzytu, bainitu, troostytu, sorbitu, perlitu. Mają podobną strukturę igiełkową, ale różnią się dyspersją cząstek, wielkością ziarna i cząstkami cementytu.
Wpływ chłodzenia na austenit
Dekompozycja austenitu zachodzi w tych samych punktach krytycznych. Jego skuteczność zależy od następujących czynników:
- Szybkość chłodzenia. Wpływa na charakter wtrąceń węgla, powstawanie ziaren, powstawanie finalnychmikrostruktura i jej właściwości. Zależy od medium użytego jako chłodziwo.
- Obecność składnika izotermicznego na jednym z etapów rozkładu - po obniżeniu do określonego poziomu temperatury przez pewien czas utrzymuje się stabilne ciepło, po czym następuje gwałtowne schłodzenie lub następuje wraz z urządzenie grzewcze (piec).
W ten sposób wyróżnia się ciągłą i izotermiczną przemianę austenitu.
Cechy charakteru przekształceń. Wykres
Wykres w kształcie litery C, który przedstawia charakter zmian mikrostruktury metalu w przedziale czasowym, w zależności od stopnia zmiany temperatury - jest to wykres przemiany austenitu. Prawdziwe chłodzenie jest ciągłe. Możliwe są tylko niektóre fazy wymuszonego zatrzymywania ciepła. Wykres opisuje warunki izotermiczne.
Znak może być dyfuzyjny i niedyfuzyjny.
Przy standardowych szybkościach redukcji ciepła ziarno austenitu zmienia się przez dyfuzję. W strefie niestabilności termodynamicznej atomy zaczynają poruszać się między sobą. Te, które nie mają czasu na penetrację sieci żelaza, tworzą wtrącenia cementytu. Dołączają do nich sąsiednie cząsteczki węgla uwolnione z ich kryształów. Cementyt powstaje na granicach gnijących ziaren. Oczyszczone kryształy ferrytu tworzą odpowiednie płytki. Powstaje rozproszona struktura - mieszanina ziaren, których wielkość i stężenie zależą od szybkości chłodzenia i zawartościwęgiel stopowy. Powstają również perlit i jego fazy pośrednie: sorbit, troostite, bainit.
Przy znacznym tempie spadku temperatury rozkład austenitu nie ma charakteru dyfuzyjnego. Występują złożone zniekształcenia kryształów, w których wszystkie atomy są jednocześnie przemieszczane w płaszczyźnie bez zmiany ich położenia. Brak dyfuzji przyczynia się do zarodkowania martenzytu.
Wpływ twardnienia na charakterystykę rozkładu austenitu. Martenzyt
Hartowanie to rodzaj obróbki cieplnej, której istotą jest szybkie nagrzewanie do wysokich temperatur powyżej punktów krytycznych Ac3 i Acm, a następnie szybkie schłodzenie. Jeśli temperatura zostanie obniżona za pomocą wody w tempie ponad 200˚С na sekundę, powstaje stała faza iglasta, zwana martenzytem.
Jest to przesycony stały roztwór penetracji węgla w żelazo z siecią krystaliczną typu α. Na skutek silnych przemieszczeń atomów ulega zniekształceniu i tworzy sieć czworokątną, co jest przyczyną twardnienia. Utworzona struktura ma większą objętość. W rezultacie kryształy ograniczone płaszczyzną ulegają ściśnięciu, rodzą się igiełkowate płytki.
Martenzyt jest mocny i bardzo twardy (700-750 HB). Powstały wyłącznie w wyniku szybkiego hartowania.
Hartowanie. Struktury dyfuzyjne
Austenit to formacja, z której można sztucznie wytwarzać bainit, troostit, sorbit i perlit. Jeżeli chłodzenie hartowania następuje wniższe prędkości, przeprowadzane są transformacje dyfuzyjne, ich mechanizm jest opisany powyżej.
Troostite to perlit, który charakteryzuje się wysokim stopniem dyspersji. Powstaje, gdy ciepło spada o 100˚С na sekundę. Na całej płaszczyźnie rozmieszczona jest duża liczba drobnych ziaren ferrytu i cementytu. Cementyt „utwardzony” charakteryzuje się formą lamelarną, a troostyt uzyskany w wyniku późniejszego odpuszczania ma wizualizację ziarnistą. Twardość - 600-650 HB.
Bainit to faza pośrednia, która jest jeszcze bardziej rozproszoną mieszaniną kryształów wysokowęglowego ferrytu i cementytu. Pod względem właściwości mechanicznych i technologicznych ustępuje martenzytowi, ale przewyższa troostyt. Powstaje w zakresach temperatur, w których dyfuzja jest niemożliwa, a siły ściskania i przemieszczania struktury krystalicznej do przekształcenia w martenzytyczną nie są wystarczające.
Sorbitol jest gruboziarnistą odmianą faz perlitowych, przypominającą igłę, po schłodzeniu z szybkością 10˚С na sekundę. Właściwości mechaniczne są pośrednie między perlitem a troostytem.
Perlit to połączenie ziaren ferrytu i cementytu, które mogą być ziarniste lub płytkowe. Powstający w wyniku płynnego rozpadu austenitu z szybkością chłodzenia 1˚C na sekundę.
Beytytu i troostyt są bardziej związane ze strukturami utwardzającymi, natomiast sorbit i perlit mogą powstawać również podczas odpuszczania, wyżarzania i normalizacji, których cechy determinują kształt ziaren i ich wielkość.
Wpływ wyżarzania nacechy rozpadu austenitu
Praktycznie wszystkie rodzaje wyżarzania i normalizacji opierają się na wzajemnej przemianie austenitu. Wyżarzanie pełne i niepełne stosuje się do stali podeutektoidalnych. Części są ogrzewane w piecu powyżej punktów krytycznych odpowiednio Ac3 i Ac1. Pierwszy typ charakteryzuje się obecnością długiego okresu utrzymywania, co zapewnia całkowitą przemianę: ferrytowo-austenitową i perlitowo-austenitową. Następnie następuje powolne schładzanie detali w piecu. Na wyjściu otrzymuje się drobno zdyspergowaną mieszankę ferrytu i perlitu, bez naprężeń wewnętrznych, plastyczną i trwałą. Niecałkowite wyżarzanie jest mniej energochłonne i zmienia jedynie strukturę perlitu, pozostawiając ferryt praktycznie niezmieniony. Normalizacja implikuje większe tempo spadku temperatury, ale także grubszą i mniej plastyczną strukturę na wyjściu. W przypadku stopów stali o zawartości węgla od 0,8 do 1,3%, po schłodzeniu w ramach normalizacji następuje rozkład w kierunku: austenit-perlit i austenit-cementyt.
Innym rodzajem obróbki cieplnej opartej na przemianach strukturalnych jest homogenizacja. Ma zastosowanie do dużych części. Oznacza to absolutne osiągnięcie austenitycznego stanu gruboziarnistego w temperaturach 1000-1200 ° C i ekspozycji w piecu do 15 godzin. Procesy izotermiczne są kontynuowane z powolnym chłodzeniem, co pomaga wyrównać struktury metalowe.
Wyżarzanie izotermiczne
Każda z wymienionych metod wpływania na metal w celu uproszczenia zrozumieniatraktowana jako izotermiczna przemiana austenitu. Jednak każdy z nich dopiero na pewnym etapie ma charakterystyczne cechy. W rzeczywistości zmiany następują wraz ze stałym spadkiem ciepła, którego prędkość determinuje wynik.
Jedną z metod najbliższych idealnym warunkom jest wyżarzanie izotermiczne. Jego istota polega również na ogrzewaniu i utrzymywaniu aż do całkowitego rozkładu wszystkich struktur na austenit. Chłodzenie realizowane jest w kilku etapach, co przyczynia się do wolniejszego, dłuższego i bardziej stabilnego termicznie rozkładu.
- Gwałtowny spadek temperatury do 100˚C poniżej punktu AC1.
- Przymusowe utrzymanie osiągniętej wartości (poprzez umieszczenie w piecu) przez długi czas, aż do zakończenia procesów tworzenia się faz ferrytowo-perlitowych.
- Chłodzenie w nieruchomym powietrzu.
Metoda ma również zastosowanie do stali stopowych, które charakteryzują się obecnością austenitu szczątkowego w stanie schłodzonym.
Austenit szczątkowy i stale austenityczne
Czasami możliwy jest niecałkowity rozpad, gdy występuje austenit szczątkowy. Może się to zdarzyć w następujących sytuacjach:
- Schładzanie zbyt szybko, gdy nie występuje całkowity rozkład. Jest składnikiem strukturalnym bainitu lub martenzytu.
- Stal wysokowęglowa lub niskostopowa, dla której procesy austenitycznych przemian rozproszonych są skomplikowane. Wymaga specjalnych metod obróbki cieplnej, takich jak homogenizacja lub wyżarzanie izotermiczne.
Dla wysokostopowych -nie ma procesów opisanych przekształceń. Stal stopowa z niklem, manganem, chromem przyczynia się do powstawania austenitu jako głównej silnej struktury, która nie wymaga dodatkowych wpływów. Stale austenityczne charakteryzują się wysoką wytrzymałością, odpornością na korozję i żaroodporność, żaroodpornością oraz odpornością na trudne agresywne warunki pracy.
Austenit jest strukturą, bez której powstanie nie jest możliwe nagrzewanie stali w wysokiej temperaturze i która jest wykorzystywana w prawie wszystkich metodach jej obróbki cieplnej w celu poprawy właściwości mechanicznych i technologicznych.
