Wykład 8 Przemiany zachodzące w stopach żelaza z węglem Przemiany zachodzące podczas nagrzewania Nagrzewanie stopów żelaza powyżej temperatury 723 O C powoduje rozpoczęcie przemiany perlitu w austenit Ac 1. Na granicach ferrytu i cementytu rozpoczyna się tworzenie zarodków austenitu. Przebieg tej przemiany opisuje model Sztajnberga, a kinetykę wykresy Rose i Strassburga. Przemiana mieszaniny ferrytu z cementytem w austenit Wpływ temperatury wygrzewania stopu na czas przemiany mieszaniny ferrytu i cementytu w austenit Wpływ szybkości grzania stopu na czas przemiany mieszaniny ferrytu i cementytu w austenit
Zmiana wielkości ziarna w stalach podczas grzania Zmiana wielkości ziarna w stalach w wyniku ich grzania i chłodzenia Przemiany zachodzące podczas chłodzenia 1. Przemiana Perlityczna Cechy charakterystyczne przemiany perlitycznej: ϒ (0,8%C) α (0,023%C) + Fe 3 C (6,67%C) Przemiana perlityczna rozpoczyna się po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury eutektoidalnej (723 O C). Przemianę rozpoczyna tworzenie się zarodków cementytu głównie na granicach ziaren austenitu, a następnie również na granicach międzyfazowych ferrytu z austenitem. Szybkość powstawania zarodków cementytu rośnie wraz z przechłodzeniem austenitu. Zarodki rozrastają się w postaci naprzemianległych płytek cementytu ferrytu wypełniając stopniowo obszary zanikającego austenitu.
Miejsca rozpoczęcia przemiany i rozrost obszarów perlitu Powstające nowe ziarna perlitu nie pokrywają się z ziarnami zanikającego austenitu. Przemiana perlityczna ma charakter dyfuzyjny ponieważ rozrost zarodków wymaga znacznego przegrupowania atomów węgla. Wzrost czołowy płytek perlitu Szybkość rozrostu zarodków zależy do szybkości dyfuzji atomów węgla a więc wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Przemiana osiąga maksymalną szybkość po przechłodzeniu austenitu do temp. 550 O C, w której iloczyn szybkości tworzenia się zarodków i szybkości ich rozrostu osiąga wartość maksymalną. Odległość między płytkami (grubość płytek) ferrytu i cementytu w perlicie zmniejsza się wraz ze wzrostem stopnia przechłodzenia austenitu.
2. Przemiana martenzytyczna γ α Cechy charakterystyczne przemiany martenzytycznej: Przemiana martenzytyczna zachodzi po przechłodzeniu austenitu do temperatury, w której nie zachodzi dyfuzja atomów węgla w sieci austenitu. Przemiana zachodzi po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury M S (temperatura początku przemiany) i kończy się po osiągnięciu temperatury M f (końca przemiany). Temperatura przemian M S i M f zależy od składu chemicznego stali - węgiel oraz większość pierwiastków stopowych obniżają temperaturę obydwu przemian. t [ O C] 600 500 400 300 M S 200 100 0 M f -100-200 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 %C Wpływ węgla w stali na temp. przemian M S i M f Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i polega na skoordynowanym przemieszczaniu atomów żelaza rozmieszczonych w austenicie w postaci komórek sieciowych płasko centrowanych (A1) w układ złożony z komórek przestrzennie centrowanych (A2). Atomy węgla po przemianie przesycają komórki sieciowe martenzytu (A2) wydłużając je w kierunku [001], co jest przyczyną ich tetragonalności. Stopień tetragonalności komórek sieciowych martenzytu c/a jest tym większy, im więcej węgla występuje w martenzycie.
c/a 1,05 1,04 1,03 1,02 1,01 1,00 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 %C Wpływ stężenia węgla na tetragonalność martenzytu Martenzyt jest silnie przesyconym roztworem stałym węgla w żelazie alfa (Fe α ) o morfologii płytkowej bądź listwowej. W stalach o zawartości węgla powyżej 0,6% przemiana martenzytyczna nie zachodzi do końca, nawet po przechłodzeniu metalu poniżej temperatury przemiany M f. Nieprzemieniony austenit określa się mianem austenitu szczątkowego. Przyczyną pozostawania nie przemienionego austenitu są naprężenia ściskające wywołane większą gęstością austenitu niż martenzytu, którego objętość wzrasta w miarę zwiększania się stopnia tetragonalności (V γ < V α < V α ). Przy osiągnięciu wysokich naprężeń ściskających na obszary nie przemienionego austenitu przemiana martenzytyczna zostaje zahamowana. Naprężenia rozciągające i odkształcenie plastyczne ułatwia zachodzenie przemiany martenzytycznej. Pomiędzy austenitem i martenzytem występuje ścisła zależność krystalograficzna. 3. Przemiana Bainityczna Austenit po przechłodzeniu do temperatury, w której już nie zachodzi przemiana perlityczna i jeszcze nie rozpoczyna się przemiana martenzytyczna ulega przemianie w bainit. W austenicie przechłodzonym poniżej temperatury, w której zachodzi przemiana perlityczna, ale powyżej temperatury Ms, występują fluktuacje węgla powodujące niejednorodne jego stężenie w mikroobszarach. Mikroobszary o obniżonym stężeniu węgla ulegają przemianie martenzytycznej, ponieważ ich temperatura Ms jest wyższa od temperatury przechłodzenia.
t [ O C] 600 500 400 300 M S 200 100 0 M f -100-200 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 %C Wpływ węgla w stali na temp. przemian M S i M f W obszarach wzbogaconych w węgiel zachodzi proces wydzieleniowy cementytu Fe 3 C w austenicie. W wyniku tego procesu austenit ubożeje w węgiel i ulega przemianie w martenzyt. Jednocześnie w obszarach martenzytu zachodzi proces wydzieleniowy cementytu. Uzyskana w ten sposób struktura zwana bainitem stanowi mieszaninę przesyconego węglem ferrytu o budowie płytkowej (iglastej) i cementytu. Rozróżnia się bainit wysokotemperaturowy i niskotemperaturowy. W austenicie przechłodzonym zachodzi fluktuacja węgla W wyniku fluktuacji powstają obszary: austenitu o podwyższonym stężeniu węgla ϒ (w) ϒ (w) Fe 3 C + ϒ (z) ϒ (z) + Fe 3 C α + Fe 3 C α + Fe 3 C α + Fe 3 C austenitu o obniżonym stężeniu węgla ϒ (z) ϒ (z) α α Fe 3 C + α α + Fe 3 C - Bainit
Struktury stali uzyskane w wyniku przemian przechłodzonego austenitu Nazwa struktury Opis Zakres temp. O C Przybliżona twardość HB Perlit Perlit drobny Bainit górny Bainit dolny Martenzyt Eutektoidalna mieszanina płytek ferrytu i cementytu Eutektoidalna mieszanina dyspersyjnych płytek ferrytu i cementytu Mieszanina ferrytu o budowie pierzastej i dyspersyjnych cząstek cementytu Mieszanina ferrytu o budowie iglastej i dyspersyjnych cząstek cementytu Silnie przesycony roztwór węgla w Fe α o budowie iglastej A r1 650 180 280 650 550 280 380 550 450 380 450 450 M S 450 600 M S M f 600 670 Wykresy CTPc stali podeutektoidalnych CTPc A- obszar austenitu, F obszar tworzenia ferrytu, P obszar tworzenia perlitu, B obszar tworzenia bainitu M obszar tworzenia martenzytu
CTPi CTPc CTPi A- obszar austenitu, F obszar tworzenia ferrytu, P obszar tworzenia perlitu, B obszar tworzenia bainitu M obszar tworzenia martenzytu
Wykresy dla stali eutektoidalnej i stali nadeutektoidalnych Rysując wykresy pamiętamy: Przemiana A c1 jest stała niezależnie od zawartości węgla w stali Przemiana A c3 obniża się wraz ze wzrostem zawartości węgla w stali Przemiana A cm wzrasta wraz ze wzrostem zawartości węgla w stali Przemiana M S obniża się wraz ze wzrostem zawartości węgla w stali A Cm A C3 A C1 t [ O C] 600 500 400 300 M S 200 100 0 M f -100-200 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 %C Wpływ węgla w stali na temp. przemian M S i M f
Przemiana martenzytu podczas grzania Podczas grzania martenzytu będącego fazą termodynamicznie nietrwałą zachodzi jego przemiana w zakresie zależnym od temperatury grzania. W zakresie temperatur 80 200 O C z przesyconego węglem martenzytu (tetragonalnego) wydziela się nadmiar węgla w postaci węglika ε (Fe 2 C Fe 3 C). Martenzyt o mniejszym stopni przesycenia węglem staje się regularny. Przemianę martenzytu tetragonalnego w regularny o mniejszej objętości właściwej można zaobserwować na próbkach badanych w dylatometrach różnicowych. Grzane w tym przedziale temperatur powoduje skurcz długości badanych próbek. W zakresie temperatur 200 300 O C w dalszym ciągu w martenzycie wydziela się węglik ε a jednocześnie zachodzi przemiana austenitu szczątkowego w martenzyt. Przemianie tej towarzyszy wzrost długości badanej próbki ponieważ V α > V ϒ. W zakresie temperatur 300 400 O C w dalszym ciągu z martenzytu wydziela się węgiel w postaci Fe 3 C a węglik ε ulega przemianie w cementyt. W wyniku procesu wydzieleniowego węgla z martenzytu następuje dalszy skurcz próbki czemu towarzyszy znaczące zmniejszenie naprężeń własnych. W zakresie temperatur 400 650 O C zachodzą zmiany strukturalne polegające na koagulacji (zaokrągleniu wydzieleń) i koalescencji (wzrost większych wydzieleń kosztem mniejszych) wydzielonych cząstek cementytu i zdrowieniu i rekrystalizacji iglastego martenzytu, który przyjmuje postać pierzastą. W zakresie temperatur 650 O C A C1 ferryt przyjmuje postać ziarnistą a cementyt ulega sferoidyzacji (przyjmuje postać kulistą). Struktura taka nazywa się sferoidytem. Schemat przemian zachodzących podczas grzania martenzytu 80 200 300 400 600 t [ O C]
Struktury uzyskane w wyniku przemian odpuszczanego martenzytu Nazwa struktury Opis Zakres temp. O C Przybliżona twardość HB Martenzyt Silnie przesycony roztwór węgla w Fe α o budowie iglastej do 80 600 670 Martenzyt nisko odpuszczony Martenzyt średnio odpuszczony Sorbit Sferoidyt Mieszanina niejednorodnego roztworu węgla w Fe α o budowie iglastej i bardzo drobnych cząstek węglika ε Mieszanina niejednorodnego roztworu węgla w Fe α o budowie iglastej i bardzo drobnych cząstek cementytu Fe 3 C Mieszanina częściowo zrekrystalizowanego ferrytu o budowie pierzastej i dyspersyjnych cząstek cementytu Mieszanina ferrytu o budowie iglastej i dyspersyjnych cząstek cementytu 150-300 600 500 300 450 500 400 500 650 400 250 650 Ac 1 150