Obrobka cieplna i cieplochemiczna ...

Obrobka cieplna i cieplochemiczna 2, Literatura dla inżyniera

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Bogdan Pawłowski Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna stali
8. OBRÓBKA CIEPLNA I CIEPLNO-CHEMICZNA STALI
Opracował: dr in
Ň
. Bogdan Pawłowski
8.1. Przemiany podczas nagrzewania w zakres austenitu
8.1.1. Tworzenie si
ħ
austenitu w stalach niestopowych
Austenit tworzy si
ħ
w wyniku przemiany eutektoidalnej zachodz
Ģ
cej przy nagrzewaniu powy
Ň
ej
temperatury Ac
1
(a
P
+Fe
3
C®g
S
) a tak
Ň
e wskutek przemiany ferrytu w stalach
podeutektoidalnych (a
P®G
®g
S®G
). W stalach nadeutektoidalnych, po zako
ı
czeniu przemiany
eutektoidalnej, w trakcie dalszego nagrzewania w austenicie rozpuszcza si
ħ
cementyt
drugorz
ħ
dowy (Fe
3
C”®g
S®E
).
Zarodki austenitu powstaj
Ģ
na granicach mi
ħ
dzyfazowych. W stopach
Ň
elazo-w
ħ
giel
procesem, który kontroluje szybko
Ļę
tworzenia si
ħ
austenitu jest dyfuzja mi
ħ
dzyw
ħ
złowych
atomów w
ħ
gla poniewa
Ň
tylko ten pierwiastek musi dyfundowa
ę
na wi
ħ
ksze odległo
Ļ
ci.
Zajmuj
Ģ
ce pozycje w
ħ
złowe atomy
Ň
elaza przechodz
Ģ
tylko przez granice mi
ħ
dzyfazowe
i wbudowuj
Ģ
si
ħ
w struktur
ħ
austenitu, przemieszczaj
Ģ
c si
ħ
na odległo
Ļę
zaledwie kilku
Ļ
rednic
atomowych.
8.1.2. Tworzenie si
ħ
austenitu w stalach stopowych
W stalach stopowych w
ħ
gliki (cementyt stopowy) zawieraj
Ģ
zwykle wi
ħ
cej pierwiastków
stopowych ni
Ň
ferryt i rozpuszczanie ich w powstaj
Ģ
cym austenicie wymaga dyfuzji na wi
ħ
ksze
odległo
Ļ
ci nie tylko w
ħ
gla, lecz i pierwiastków stopowych, które dyfunduj
Ģ
znacznie wolniej.
Istotn
Ģ
rol
ħ
odgrywa równie
Ň
powinowactwo poszczególnych pierwiastków stopowych do w
ħ
gla
i azotu. Im wi
ħ
ksze jest to powinowactwo, tym wi
ħ
ksza jest energia wi
Ģ
za
ı
w w
ħ
glikach lub
azotkach i tym wy
Ň
sze s
Ģ
temperatury, w których rozpuszczaj
Ģ
si
ħ
one w austenicie. Najtrudniej
rozpuszczaj
Ģ
si
ħ
w
ħ
gliki tytanu, wanadu i niobu, łatwiej wolframu i molibdenu, jeszcze łatwiej
chromu a najłatwiej cementyt Fe
3
C, w którym cz
ħĻę
atomów
Ň
elaza mo
Ň
e by
ę
zast
Ģ
piona innymi
pierwiastkami. Wówczas jego wzór zapisuje si
ħ
jako M
3
C, gdzie M oznacza zarówno
Ň
elazo jak
i atomy rozpuszczonych w cementycie pierwiastków.
8.1.3. Zagadnienie wielko
Ļ
ci ziarna austenitu
Przemiana perlitu w austenit jest zwi
Ģ
zana z rozdrobnieniem ziarna, poniewa
Ň
zarodki austenitu
tworz
Ģ
si
ħ
nie tylko na granicach ziarn ale równie
Ň
w obj
ħ
to
Ļ
ci ka
Ň
dego z ziarn perlitu na bardzo
rozbudowanej powierzchni mi
ħ
dzy płytkami ferrytu i cementytu,
rys. 8.1.
Rys. 8.1.
Schemat przemiany perlitu w austenit
Dla stali umownie drobnoziarnistej - por.
rys. 8.2
- (odtlenionej aluminium), w miar
ħ
wzrostu
temperatury ziarna austenitu rosn
Ģ
najpierw bardzo wolno, a poczynaj
Ģ
c od pewnej temperatury
144
Bogdan Pawłowski Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna stali
nast
ħ
puje ich gwałtowny rozrost. W stalach umownie gruboziarnistych (odtlenionych
Ň
elazomanganem) rozrost ziarna austenitu nast
ħ
puje natychmiast po zako
ı
czeniu przemiany
perlitu w austenit. Aluminium dodane jako odtleniacz do stali powoduje powstanie
dyspersyjnych azotków (AlN), które odgrywaj
Ģ
rol
ħ
przeszkód hamuj
Ģ
cych rozrost ziarna
austenitu. Rozrost ziarna austenitu mo
Ň
liwy jest dopiero po rozpuszczeniu tych wydziele
ı
(w temperaturze 950÷1000
o
C).
Rys. 8.2.
Wpływ temperatury na wielko
Ļę
ziarna austenitu w stalach eutektoidalnych, wg A.P. Gulajewa
8.2. Przemiany przy chłodzeniu austenitu
Podczas wolnego chłodzenia stali z zakresu istnienia austenitu, zachodz
Ģ
ce przemiany s
Ģ
zgodne
z wykresem równowagi
Ň
elazo-cementyt. W przypadku stali podeutektoidalnych oznacza to,
Ň
e
przemiana austenit®perlit poprzedzona jest wydzielaniem si
ħ
ferrytu a nadeutektoidalnych
wydzielaniem si
ħ
cementytu drugorz
ħ
dowego (wtórnego). Przemiany austenitu zachodz
Ģ
ce
podczas wolnego chłodzenia, kiedy podstawow
Ģ
rol
ħ
odgrywaj
Ģ
procesy dyfuzji, nosz
Ģ
nazw
ħ
przemian dyfuzyjnych austenitu.
8.2.1. Przemiany dyfuzyjne austenitu
8.2.1.1. Wydzielanie ferrytu w stalach podeutektoidalnych
Wydzielanie si
ħ
ferrytu z austenitu przy chłodzeniu rozpoczyna si
ħ
po przekroczeniu linii GS
(temperatura Ar
3
) i trwa a
Ň
do osi
Ģ
gni
ħ
cia linii PS czyli do rozpocz
ħ
cia przemiany eutektoidalnej
(temperatura Ar
1s
) pozostałego austenitu, wzbogacaj
Ģ
cego si
ħ
podczas wydzielania ferrytu
w w
ħ
giel, a
Ň
do zawarto
Ļ
ci 0,77%. Im mniejsza jest zawarto
Ļę
w
ħ
gla w stali, tym szerszy jest
temperaturowy zakres wydzielania ferrytu z austenitu.
Zarodki ferrytu tworz
Ģ
si
ħ
na granicach ziarn austenitu. W stalach o zawarto
Ļ
ci w
ħ
gla powy
Ň
ej
0,6÷0,7%, ilo
Ļę
ferrytu jest tak mała,
Ň
e wyst
ħ
puje on w postaci siatki na granicach ziarn. Je
Ň
eli
zawarto
Ļę
w
ħ
gla w austenicie była pocz
Ģ
tkowo mniejsza ni
Ň
zawarto
Ļę
w
ħ
gla w punkcie
O (0,45%) na wykresie
Ň
elazo-cementyt, to powstaj
Ģ
ce wydzielenia ferrytu s
Ģ
pocz
Ģ
tkowo
paramagnetyczne, a po przekroczeniu temperatury 770
o
C (linia M-O) ulegaj
Ģ
przemianie
magnetycznej i s
Ģ
odt
Ģ
d ferromagnetyczne.
W stalach przegrzanych wydzielenia ferrytu mog
Ģ
tworzy
ę
tzw. struktur
ħ
Widmannstättena.
Struktura ta powstaje przy chłodzeniu austenitu stali podeutektoidalnych od wysokich
temperatur w zakresie pomi
ħ
dzy temperaturami Ar
3
i Ar
1s
, ferryt wówczas krystalizuje wewn
Ģ
trz
145
Bogdan Pawłowski Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna stali
ziarn austenitu wzdłu
Ň
uprzywilejowanych kierunków krystalograficznych (
rys. 8.3
). Stale
o takiej strukturze wykazuj
Ģ
du
ŇĢ
krucho
Ļę
.
Rys. 8.3.
Struktura Widmannstättena stali podeutektoidalnej, wg B. Pawłowskiego
8.2.1.2. Wydzielanie cementytu drugorz
ħ
dowego w stalach nadeutektoidalnych
W stalach nadeutektoidalnych przemian
ħ
austenitu w perlit poprzedza wydzielanie si
ħ
cementytu
drugorz
ħ
dowego (wtórnego) po przekroczeniu podczas chłodzenia linii SE na wykresie
Ň
elazo-
cementyt (temperatury Ar
cm
). Jest to linia malej
Ģ
cej rozpuszczalno
Ļ
ci w
ħ
gla w austenicie (od
2,11%C w temperaturze przemiany eutektycznej do 0,77%C w temperaturze przemiany
eutektoidalnej). Wydzielenia cementytu drugorz
ħ
dowego wyst
ħ
puj
Ģ
najcz
ħĻ
ciej w postaci siatki
na granicach ziarn austenitu, siatka ta zwi
ħ
ksza sw
Ģ
grubo
Ļę
ze wzrostem zawarto
Ļ
ci w
ħ
gla.
W przypadku przegrzania stali nadeutektoidalnej cementyt drugorz
ħ
dowy mo
Ň
e wydziela
ę
si
ħ
podczas chłodzenia wzdłu
Ň
uprzywilejowanych kierunków krystalograficznych wewn
Ģ
trz ziarn
austenitu, podobnie jak ferryt w stalach podeutektoidalnych, tworz
Ģ
c struktur
ħ
analogiczn
Ģ
do
struktury Widmannstättena w stalach podeutektoidalnych, co równie
Ň
silnie zmniejszaja
odporno
Ļę
na p
ħ
kanie tych stali.
8.2.1.3. Przemiana eutektoidalna austenitu w perlit
Przemiana ta (zwana przemian
Ģ
perlityczn
Ģ
) zachodzi po ochłodzeniu austenitu poni
Ň
ej
temperatury Ar
1
. W warunkach równowagi z austenitu o zawarto
Ļ
ci 0,77%C (punkt S na
wykresie
Ň
elazo-cementyt) powstaje mieszanina eutektoidalna ferrytu o zawarto
Ļ
ci 0,0218%C
(punkt P) i cementytu o zawarto
Ļ
ci 6,67%C (punkt K). Zarodki perlitu powstaj
Ģ
na granicach
ziarn austenitu. W kierunku wn
ħ
trza ziarna austenitu zaczyna rosn
Ģę
płytka cementytu, wzrost
powoduje znaczne zmniejszenie st
ħŇ
enia w
ħ
gla w jej s
Ģ
siedztwie, umo
Ň
liwiaj
Ģ
c powstanie
płytek ferrytu. Ograniczona rozpuszczalno
Ļę
w
ħ
gla w ferrycie powoduje wzrost st
ħŇ
enia w
ħ
gla
w austenicie w pobli
Ň
u utworzonej płytki ferrytu i powstanie kolejnych płytek cementytu. Dalsze
narastanie płytek cementytu i ferrytu w gł
Ģ
b austenitu odbywa si
ħ
według tego samego
mechanizmu. W jednym ziarnie austenitu mo
Ň
e powsta
ę
kilka zgrupowa
ı
(kolonii)
w przybli
Ň
eniu równoległych płytek cementytu i ferrytu. Ze wzrostem przechłodzenia austenitu
poni
Ň
ej temperatury A
1
(wzrostem szybko
Ļ
ci jego chłodzenia) ro
Ļ
nie liczba zarodków perlitu
146
Bogdan Pawłowski Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna stali
a tak
Ň
e szybko
Ļę
narastania faz w perlicie, co powoduje powstawanie coraz drobniejszego
perlitu. Im cie
ı
sze płytki ferrytu i cementytu w perlicie tym twardo
Ļę
stali jest wi
ħ
ksza.
Rys. 8.4.
Schemat przemiany austenitu w perlit, wg R. F. Mehla
8.2.2. Przemiany po
Ļ
rednie austenitu
Przy zwi
ħ
kszonych szybko
Ļ
ciach chłodzenia stali z zakresu istnienia austenitu, przemiany trac
Ģ
charakter dyfuzyjny poniewa
Ň
zmiany składu chemicznego w austenicie nie nad
ĢŇ
aj
Ģ
za
szybko
Ļ
ci
Ģ
chłodzenia i przemiany austenitu zachodz
Ģ
mechanizmem po
Ļ
rednim (dyfuzyjno-
bezdyfuzyjnym). W wyniku przemiany po
Ļ
redniej z austenitu tworzy si
ħ
najpierw bainit górny,
a przy jeszcze wi
ħ
kszej szybko
Ļ
ci chłodzenia (w ni
Ň
szych temperaturach) bainit dolny. Je
Ň
eli
szybko
Ļę
chłodzenia przekroczy wielko
Ļę
krytyczn
Ģ
(V
kr
), wówczas z austenitu tworzy si
ħ
wył
Ģ
cznie
martenzyt
mechanizmem
przemiany
bezdyfuzyjnej.
Na
rys.
8.5
pokazano
mechanizmy tworzenia si
ħ
bainitu górnego i dolnego.
Rys. 8.5.
Schematy tworzenia si
ħ
bainitu: a) górnego i b) dolnego, wg S. Prowansa
8.2.2.1. Tworzenie si
ħ
bainitu górnego
Bainit górny powstaje w zakresie temperatur 550÷400
o
C (najnowsze badania sugeruj
Ģ
przesuni
ħ
cie dolnej granicy tego zakresu do temperatury 350
o
C). Składa si
ħ
on z ziarn
przesyconego w
ħ
glem ferrytu, mi
ħ
dzy którymi oraz wewn
Ģ
trz znajduj
Ģ
si
ħ
nieregularne
wydzielenia cementytu (rys. 8.5a). Bainit górny ma charakter pierzasty, stal o takiej strukturze
wykazuje bardzo mał
Ģ
odporno
Ļę
na p
ħ
kanie.
147
Bogdan Pawłowski Obróbka cieplna i cieplno-chemiczna stali
8.2.2.2. Tworzenie si
ħ
bainitu dolnego
Bainit dolny powstaje w temperaturach poni
Ň
ej 400
o
C (wg nowszych bada
ı
poni
Ň
ej 350
o
C).
Cech
Ģ
odró
Ň
niaj
Ģ
c
Ģ
go od struktury bainitu górnego jest listwowy charakter przesyconego
ferrytu (zbli
Ň
ony do struktury martenzytycznej) oraz wyst
ħ
powanie drobnodyspersyjnych
wydziele
ı
w
ħ
glików wewn
Ģ
trz listew ferrytu. Wydzielenia te s
Ģ
w postaci płytkowej
i rozmieszczone w równoległych rz
ħ
dach (rys. 8.5b). Ze wzrostem szybko
Ļ
ci chłodzenia
zwi
ħ
ksza si
ħ
przesycenie w
ħ
glem listew ferrytu oraz dyspersja w
ħ
glików.
8.2.3. Przemiana bezdyfuzyjna austenitu
8.2.3.1. Cechy przemiany martenzytycznej
Przemiana martenzytyczna jest przemian
Ģ
bezdyfuzyjn
Ģ
i polega tylko na przebudowie struktury
krystalicznej z regularnej
Ļ
ciennie centrowanej austenitu na regularn
Ģ
przestrzennie centrowan
Ģ
martenzytu. W zale
Ň
no
Ļ
ci od zawarto
Ļ
ci w
ħ
gla w martenzycie, struktura regularna przestrzennie
centrowana ulega zniekształceniu tetragonalnemu i przekształca si
ħ
w tetragonaln
Ģ
przestrzennie
centrowan
Ģ
(tetragonalno
Ļę
martenzytu oceniana ilorazem c/a w stalach zale
Ň
y od zawarto
Ļ
ci
w
ħ
gla: c/a = 1+0,045
.
%C).
Przemiana martenzytyczna w stalach zachodzi tylko w warunkach ci
Ģ
głego chłodzenia
w zakresie pomi
ħ
dzy temperatur
Ģ
M
s
(martenzyt start) a temperatur
Ģ
M
f
(martenzyt koniec od
ang. martensite finish). Temperatury M
s
i M
f
zale
ŇĢ
od składu chemicznego austenitu i obni
Ň
aj
Ģ
si
ħ
ze wzrostem zawarto
Ļ
ci w
ħ
gla oraz wi
ħ
kszo
Ļ
ci pierwiastków stopowych, poza Al i Co
(
rys. 8.6
).
Rys. 8.6.
Wpływ st
ħŇ
enia a) w
ħ
gla na temperatur
ħ
M
s
i M
f
, wg S. Prowansa oraz b) pierwiastków
stopowych na temperatur
ħ
M
s
, wg V. I. Zjuzina i in.
Przemiana martenzytyczna zachodzi z bardzo du
ŇĢ
pr
ħ
dko
Ļ
ci
Ģ
, porównywaln
Ģ
z pr
ħ
dko
Ļ
ci
Ģ
rozchodzenia si
ħ
d
Ņ
wi
ħ
ku w stali (1000÷7000 m/s). Pojedyncza igła martenzytu powstaje
w czasie około 10
-7
s (poj
ħ
cie igła martenzytu jest poj
ħ
ciem funkcjonuj
Ģ
cym w literaturze,
aczkolwiek zgodnie z najnowsz
Ģ
klasyfikacj
Ģ
martenzyt dzieli si
ħ
na martenzyt listwowy
i martenzyt płytkowy). Przemiana martenzytyczna post
ħ
puje przez tworzenie si
ħ
nowych igieł
martenzytu nie za
Ļ
poprzez rozrost uprzednio powstałych (
rys. 8.7
).
148
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl