Tepelné spracovanie ocele je najsilnejší mechanizmus na ovplyvnenie jej štruktúry a vlastností. Je založená na modifikáciách kryštálových mriežok v závislosti od hry teplôt. Ferit, perlit, cementit a austenit môžu byť prítomné v zliatine železo-uhlík za rôznych podmienok. Ten hrá hlavnú úlohu pri všetkých tepelných premenách ocele.
Definícia
Oceľ je zliatina železa a uhlíka, v ktorej je obsah uhlíka teoreticky do 2,14 %, ale technologicky použiteľný ho obsahuje v množstve najviac 1,3 %. V súlade s tým sú všetky štruktúry, ktoré sa v ňom vytvárajú pod vplyvom vonkajších vplyvov, tiež rôznymi zliatinami.
Teória prezentuje ich existenciu v 4 variáciách: penetračný tuhý roztok, vylučovací tuhý roztok, mechanická zmes zŕn alebo chemická zlúčenina.
Austenit je tuhý roztok na prenikanie atómov uhlíka do plošne centrickej kubickej kryštálovej mriežky železa, označovanej ako γ. Atóm uhlíka sa zavádza do dutiny γ-mriežky železa. Jeho rozmery presahujú zodpovedajúce póry medzi atómami Fe, čo vysvetľuje ich obmedzený prechod cez "steny" hlavnej štruktúry. Vytvorené v procesochteplotné premeny feritu a perlitu so zvyšujúcim sa teplom nad 727˚С.
Tabuľka zliatin železa a uhlíka
Graf nazvaný stavový diagram železo-cementit, zostavený experimentálne, je jasnou ukážkou všetkých možných možností transformácií ocelí a liatiny. Špecifické teplotné hodnoty pre určité množstvo uhlíka v zliatine tvoria kritické body, v ktorých dochádza k dôležitým štrukturálnym zmenám počas procesov ohrevu alebo chladenia, tvoria tiež kritické línie.
Čiarka GSE, ktorá obsahuje body Ac3 a Acm, predstavuje úroveň rozpustnosti uhlíka pri zvyšovaní úrovne tepla.
| Tabuľka rozpustnosti uhlíka v austenite verzus teplota | |||||
| Teplota, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Približná rozpustnosť C v austenite, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Funkcie vzdelávania
Austenit je štruktúra, ktorá vzniká pri zahrievaní ocele. Po dosiahnutí kritickej teploty tvoria perlit a ferit integrálnu látku.
Možnosti vykurovania:
- Rovnomerné, kým sa nedosiahne požadovaná hodnota, krátka expozícia,chladenie. V závislosti od vlastností zliatiny môže byť austenit úplne alebo čiastočne formovaný.
- Pomalý nárast teploty, dlhé obdobie udržiavania dosiahnutej úrovne tepla za účelom získania čistého austenitu.
Vlastnosti výsledného zahriateho materiálu, ako aj vlastnosti, ktoré vzniknú v dôsledku ochladzovania. Veľa závisí od dosiahnutej úrovne tepla. Je dôležité zabrániť prehriatiu alebo prehriatiu.
Mikroštruktúra a vlastnosti
Každá z fáz charakteristických pre zliatiny železa a uhlíka má svoju vlastnú štruktúru mriežok a zŕn. Štruktúra austenitu je lamelárna, má tvary blízke ihlicovitému aj vločkovitému tvaru. Pri úplnom rozpustení uhlíka v γ-železe majú zrná svetlý tvar bez prítomnosti tmavých cementitových inklúzií.
Tvrdosť je 170-220 HB. Tepelná a elektrická vodivosť sú rádovo nižšie ako u feritu. Žiadne magnetické vlastnosti.
Varianty chladenia a jeho rýchlosti vedú k vzniku rôznych modifikácií „studeného“stavu: martenzit, bainit, troostit, sorbit, perlit. Majú podobnú ihličkovitú štruktúru, líšia sa však disperziou častíc, veľkosťou zŕn a časticami cementitu.
Vplyv chladenia na austenit
Rozklad austenitu prebieha v rovnakých kritických bodoch. Jeho účinnosť závisí od nasledujúcich faktorov:
- Rýchlosť chladenia. Ovplyvňuje charakter uhlíkových inklúzií, tvorbu zŕn, tvorbu finmikroštruktúra a jej vlastnosti. Závisí od média použitého ako chladivo.
- Prítomnosť izotermickej zložky v jednom zo štádií rozkladu – pri znížení na určitú teplotnú úroveň sa po určitú dobu udržiava stabilné teplo, po ktorom pokračuje prudké ochladzovanie, alebo sa vyskytuje spolu s vykurovacie zariadenie (pec).
Rozlišuje sa teda kontinuálna a izotermická premena austenitu.
Vlastnosti charakteru transformácií. Graf
Graf v tvare C, ktorý zobrazuje charakter zmien v mikroštruktúre kovu v časovom intervale v závislosti od stupňa zmeny teploty - to je diagram transformácie austenitu. Skutočné chladenie je nepretržité. Možné sú len niektoré fázy núteného udržiavania tepla. Graf popisuje izotermické podmienky.
Znak môže byť rozptýlený a nerozšírený.
Pri štandardných rýchlostiach zníženia tepla sa zrno austenitu mení difúziou. V zóne termodynamickej nestability sa atómy začnú medzi sebou pohybovať. Tie, ktoré nestihnú preniknúť do železnej mriežky, tvoria cementitové inklúzie. Sú spojené susednými uhlíkovými časticami uvoľnenými z ich kryštálov. Cementit vzniká na hraniciach rozpadajúcich sa zŕn. Vyčistené kryštály feritu tvoria zodpovedajúce platne. Vznikne disperzná štruktúra - zmes zŕn, ktorých veľkosť a koncentrácia závisí od rýchlosti chladnutia a obsahuzliatinový uhlík. Vzniká aj perlit a jeho intermediárne fázy: sorbit, troostit, bainit.
Pri výrazných rýchlostiach poklesu teploty nemá rozklad austenitu difúzny charakter. Vyskytujú sa komplexné deformácie kryštálov, v rámci ktorých sú všetky atómy súčasne posunuté v rovine bez zmeny ich polohy. Nedostatok difúzie prispieva k nukleácii martenzitu.
Vplyv tvrdnutia na vlastnosti rozkladu austenitu. Martensite
Kalenie je typ tepelného spracovania, ktorého podstatou je rýchle zahriatie na vysoké teploty nad kritickými bodmi Ac3 a Acm, po ktorom nasleduje rýchle ochladenie. Ak sa teplota zníži pomocou vody rýchlosťou viac ako 200˚С za sekundu, vytvorí sa tuhá ihličková fáza, ktorá sa nazýva martenzit.
Je to presýtený tuhý roztok prieniku uhlíka do železa s kryštálovou mriežkou typu α. V dôsledku silných posunov atómov sa deformuje a vytvára tetragonálnu mriežku, ktorá je príčinou tvrdnutia. Vytvorená štruktúra má väčší objem. Výsledkom je, že kryštály ohraničené rovinou sú stlačené, zrodia sa ihlovité platničky.
Martenzit je silný a veľmi tvrdý (700-750 HB). Vznikol výlučne ako výsledok vysokorýchlostného kalenia.
Kolenie. Difúzne štruktúry
Austenit je útvar, z ktorého možno umelo vyrábať bainit, troostit, sorbit a perlit. Ak dôjde k ochladeniu kalenia prinižšie rýchlosti sa uskutočňujú difúzne transformácie, ich mechanizmus je popísaný vyššie.
Troostit je perlit, ktorý sa vyznačuje vysokým stupňom disperzie. Vzniká, keď teplo klesá o 100˚С za sekundu. Po celej rovine je rozmiestnené veľké množstvo malých zŕn feritu a cementitu. „Vytvrdený“cementit sa vyznačuje lamelárnou formou a troostit získaný následným temperovaním má granulárnu vizualizáciu. Tvrdosť - 600-650 HB.
Bainit je medzifáza, ktorá je ešte viac rozptýlenou zmesou kryštálov feritu s vysokým obsahom uhlíka a cementitu. Z hľadiska mechanických a technologických vlastností je horší ako martenzit, ale prevyšuje troostit. Vzniká v teplotných rozsahoch, kedy je difúzia nemožná a sily stláčania a pohybu kryštálovej štruktúry na premenu na martenzitickú nestačia.
Sorbitol je hrubá ihlicovitá odroda perlitových fáz pri ochladzovaní rýchlosťou 10˚С za sekundu. Mechanické vlastnosti sú medzi perlitom a troostitom.
Perlit je kombináciou zŕn feritu a cementitu, ktoré môžu byť zrnité alebo lamelárne. Vzniká ako výsledok plynulého rozpadu austenitu s rýchlosťou chladenia 1˚C za sekundu.
Beitit a troostit súvisia skôr s kaliacimi štruktúrami, zatiaľ čo sorbit a perlit môžu vznikať aj pri popúšťaní, žíhaní a normalizácii, ktorých vlastnosti určujú tvar zŕn a ich veľkosť.
Účinok žíhania navlastnosti rozpadu austenitu
Prakticky všetky typy žíhania a normalizácie sú založené na recipročnej premene austenitu. Úplné a neúplné žíhanie sa aplikuje na hypoeutektoidné ocele. Časti sa zahrievajú v peci nad kritickými bodmi Ac3 a Ac1. Prvý typ sa vyznačuje prítomnosťou dlhej doby zdržania, ktorá zaisťuje úplnú transformáciu: ferit-austenit a perlit-austenit. Potom nasleduje pomalé ochladzovanie obrobkov v peci. Na výstupe sa získa jemne rozptýlená zmes feritu a perlitu, bez vnútorných pnutí, plastická a odolná. Neúplné žíhanie je energeticky menej náročné a mení iba štruktúru perlitu, pričom ferit zostáva prakticky nezmenený. Normalizácia znamená vyššiu rýchlosť poklesu teploty, ale aj hrubšiu a menej plastickú štruktúru na výstupe. Pri oceľových zliatinách s obsahom uhlíka 0,8 až 1,3 % dochádza pri ochladzovaní v rámci normalizácie k rozkladu v smere: austenit-perlit a austenit-cementit.
Ďalším typom tepelného spracovania založeného na štrukturálnych premenách je homogenizácia. Je použiteľný pre veľké diely. Znamená absolútne dosiahnutie austenitického hrubozrnného stavu pri teplotách 1000-1200 °C a expozícii v peci až 15 hodín. Izotermické procesy pokračujú pomalým ochladzovaním, ktoré pomáha vyrovnať kovové štruktúry.
Izotermické žíhanie
Každá z uvedených metód ovplyvňovania kovu zjednodušuje pochopeniepovažovaný za izotermickú premenu austenitu. Každý z nich však len v určitom štádiu má charakteristické črty. V skutočnosti k zmenám dochádza pri stálom poklese tepla, ktorého rýchlosť určuje výsledok.
Jednou z metód najbližšie k ideálnym podmienkam je izotermické žíhanie. Jeho podstata spočíva aj v zahrievaní a udržiavaní až do úplného rozkladu všetkých štruktúr na austenit. Chladenie prebieha v niekoľkých fázach, čo prispieva k pomalšiemu, dlhšiemu a tepelne stabilnejšiemu rozkladu.
- Rýchly pokles teploty na 100˚C pod bod Ac1.
- Nútené uchovanie dosiahnutej hodnoty (umiestnením do pece) na dlhú dobu, kým sa nedokončia procesy tvorby feritovo-perlitových fáz.
- Chladenie v nehybnom vzduchu.
Metóda je použiteľná aj pre legované ocele, ktoré sa vyznačujú prítomnosťou zvyškového austenitu v ochladenom stave.
Zadržaný austenit a austenitické ocele
Niekedy je možný neúplný rozpad, keď je prítomný austenit. To sa môže stať v nasledujúcich situáciách:
- Chladenie je príliš rýchle, keď nedôjde k úplnému rozkladu. Je to štruktúrna zložka bainitu alebo martenzitu.
- Vysokouhlíková alebo nízkolegovaná oceľ, pre ktorú sú procesy austenitických disperzných premien komplikované. Vyžaduje špeciálne metódy tepelného spracovania, ako je homogenizácia alebo izotermické žíhanie.
Pre vysokolegované -neexistujú žiadne procesy opísaných transformácií. Legovanie ocele s niklom, mangánom, chrómom prispieva k tvorbe austenitu ako hlavnej pevnej štruktúry, ktorá si nevyžaduje dodatočné vplyvy. Austenitické ocele sa vyznačujú vysokou pevnosťou, odolnosťou voči korózii a žiaruvzdornosťou, žiaruvzdornosťou a odolnosťou voči ťažkým agresívnym pracovným podmienkam.
Austenit je štruktúra, bez ktorej vzniku nie je možný vysokoteplotný ohrev ocele a ktorá je súčasťou takmer všetkých spôsobov jej tepelného spracovania za účelom zlepšenia mechanických a technologických vlastností.