Tepelné zpracování oceli je nejmocnějším mechanismem pro ovlivnění její struktury a vlastností. Je založen na modifikacích krystalových mřížek v závislosti na hře teplot. Ferit, perlit, cementit a austenit mohou být přítomny ve slitině železo-uhlík za různých podmínek. Ten hraje hlavní roli ve všech tepelných přeměnách oceli.
Definice
Ocel je slitina železa a uhlíku, ve které je obsah uhlíku do 2,14 % teoreticky, ale technologicky využitelný jej obsahuje v množství nejvýše 1,3 %. V souladu s tím jsou všechny struktury, které se v něm tvoří pod vlivem vnějších vlivů, také druhy slitin.
Teorie představuje jejich existenci ve 4 variantách: penetrační pevný roztok, vylučovací pevný roztok, mechanická směs zrn nebo chemická sloučenina.
Austenit je pevný roztok pronikání atomů uhlíku do plošně centrické kubické krystalové mřížky železa, označované jako γ. Atom uhlíku je zaveden do dutiny γ-mřížky železa. Jeho rozměry přesahují odpovídající póry mezi atomy Fe, což vysvětluje jejich omezený průchod "stěnami" hlavní struktury. Vzniká v procesechteplotní přeměny feritu a perlitu s rostoucím teplem nad 727˚С.
Tabulka slitin železa a uhlíku
Graf nazvaný stavový diagram železo-cementit, vytvořený experimentálně, je jasnou ukázkou všech možných možností přeměn v ocelích a litinách. Specifické teplotní hodnoty pro určité množství uhlíku ve slitině tvoří kritické body, ve kterých dochází k důležitým strukturálním změnám během zahřívání nebo chlazení, tvoří také kritické linie.
Čára GSE, která obsahuje body Ac3 a Acm, představuje úroveň rozpustnosti uhlíku při zvyšování úrovně tepla.
| Tabulka rozpustnosti uhlíku v austenitu versus teplota | |||||
| Teplota, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Přibližná rozpustnost C v austenitu, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Funkce vzdělávání
Austenit je struktura, která se tvoří při zahřívání oceli. Po dosažení kritické teploty tvoří perlit a ferit integrální látku.
Možnosti vytápění:
- Jednotné, dokud není dosaženo požadované hodnoty, krátká expozice,chlazení. V závislosti na vlastnostech slitiny může být austenit zcela nebo částečně tvarován.
- Pomalý nárůst teploty, dlouhá doba udržení dosažené úrovně tepla za účelem získání čistého austenitu.
Vlastnosti výsledného zahřátého materiálu a také vlastnosti, ke kterým dojde v důsledku chlazení. Hodně záleží na dosažené úrovni tepla. Je důležité zabránit přehřátí nebo přehřátí.
Mikrostruktura a vlastnosti
Každá z fází charakteristických pro slitiny železa a uhlíku má svou vlastní strukturu mřížek a zrn. Struktura austenitu je lamelární, tvary blízké jehlicovitému i vločkovitému tvaru. Po úplném rozpuštění uhlíku v γ-železe mají zrna světlý tvar bez přítomnosti tmavých cementitových inkluzí.
Tvrdost je 170-220 HB. Tepelná a elektrická vodivost jsou o řád nižší než u feritu. Žádné magnetické vlastnosti.
Varianty chlazení a jeho rychlost vedou ke vzniku různých modifikací „studeného“stavu: martenzit, bainit, troostit, sorbit, perlit. Mají podobnou jehličkovitou strukturu, ale liší se rozptylem částic, velikostí zrna a částicemi cementitu.
Vliv chlazení na austenit
K rozkladu austenitu dochází ve stejných kritických bodech. Jeho účinnost závisí na následujících faktorech:
- Rychlost chlazení. Ovlivňuje charakter uhlíkových inkluzí, tvorbu zrn, tvorbu finmikrostruktura a její vlastnosti. Závisí na médiu použitém jako chladicí kapalina.
- Přítomnost izotermické složky v jednom ze stádií rozkladu – při snížení na určitou teplotní úroveň je po určitou dobu udržováno stabilní teplo, po kterém pokračuje prudké ochlazení, nebo se vyskytuje společně s topné zařízení (pec).
Rozlišuje se tedy kontinuální a izotermická přeměna austenitu.
Vlastnosti charakteru transformací. Graf
Graf ve tvaru C, který zobrazuje charakter změn v mikrostruktuře kovu v časovém intervalu v závislosti na stupni změny teploty - to je diagram transformace austenitu. Skutečné chlazení je nepřetržité. Možné jsou pouze některé fáze nuceného zadržování tepla. Graf popisuje izotermické podmínky.
Znak může být rozptýlený a nerozšiřitelný.
Při standardních rychlostech redukce tepla se zrno austenitu mění difúzí. V zóně termodynamické nestability se atomy začnou mezi sebou pohybovat. Ty, které nestihnou proniknout do železné mřížky, tvoří vměstky cementitu. Jsou spojeny sousedními uhlíkovými částicemi uvolněnými z jejich krystalů. Cementit vzniká na hranicích rozkládajících se zrn. Vyčištěné feritové krystaly tvoří odpovídající desky. Vznikne disperzní struktura - směs zrn, jejichž velikost a koncentrace závisí na rychlosti ochlazení a obsahuslitinový uhlík. Vzniká také perlit a jeho intermediární fáze: sorbit, troostit, bainit.
Při výrazných rychlostech poklesu teploty nemá rozklad austenitu difúzní charakter. Dochází ke komplexním deformacím krystalů, ve kterých jsou všechny atomy současně přemístěny v rovině, aniž by se změnilo jejich umístění. Nedostatek difúze přispívá k nukleaci martenzitu.
Vliv kalení na vlastnosti rozkladu austenitu. Martensite
Kalení je druh tepelného zpracování, jehož podstatou je rychlé zahřátí na vysoké teploty nad kritickými body Ac3 a Acm, následuje rychlé ochlazení. Pokud se teplota sníží pomocí vody rychlostí více než 200˚С za sekundu, vytvoří se pevná jehlicovitá fáze, která se nazývá martenzit.
Jedná se o přesycený pevný roztok průniku uhlíku do železa s krystalovou mřížkou typu α. Vlivem mohutného přemístění atomů se deformuje a tvoří čtyřúhelníkovou mřížku, která je příčinou tuhnutí. Vytvořená struktura má větší objem. Výsledkem je, že krystaly ohraničené rovinou jsou stlačeny, rodí se jehlovité destičky.
Martenzit je silný a velmi tvrdý (700-750 HB). Vzniklo výhradně jako výsledek vysokorychlostního kalení.
Kolení. Difúzní struktury
Austenit je útvar, ze kterého lze uměle vyrábět bainit, troostit, sorbit a perlit. Dojde-li k ochlazení kalení přinižší rychlosti, probíhají difúzní transformace, jejich mechanismus je popsán výše.
Troostit je perlit, který se vyznačuje vysokým stupněm disperze. Vzniká, když teplo klesá o 100˚С za sekundu. Velké množství malých zrn feritu a cementitu je rozmístěno po celé rovině. „Vytvrzený“cementit se vyznačuje lamelární formou a troostit získaný následným temperováním má zrnitou vizualizaci. Tvrdost - 600-650 HB.
Bainit je mezifáze, která je ještě více rozptýlenou směsí krystalů feritu s vysokým obsahem uhlíku a cementitu. Z hlediska mechanických a technologických vlastností je horší než martenzit, ale převyšuje troostit. Vzniká v rozmezí teplot, kdy je difúze nemožná a síly stlačení a pohybu krystalové struktury pro přeměnu na martenzitickou nestačí.
Sorbitol je hrubá jehlovitá odrůda perlitových fází při ochlazování rychlostí 10˚С za sekundu. Mechanické vlastnosti jsou mezi perlitem a troostitem.
Perlit je kombinací zrn feritu a cementitu, které mohou být zrnité nebo lamelární. Vzniká jako výsledek plynulého rozpadu austenitu s rychlostí ochlazování 1˚C za sekundu.
Beitit a troostit souvisejí spíše s kalícími strukturami, zatímco sorbit a perlit mohou vznikat také během popouštění, žíhání a normalizace, jejichž vlastnosti určují tvar zrn a jejich velikost.
Účinek žíhání navlastnosti rozpadu austenitu
Prakticky všechny typy žíhání a normalizace jsou založeny na reciproční přeměně austenitu. U podeutektoidních ocelí se uplatňuje úplné a neúplné žíhání. Díly se ohřívají v peci nad kritickými body Ac3 a Ac1. První typ se vyznačuje přítomností dlouhé doby výdrže, která zajišťuje úplnou transformaci: ferit-austenit a perlit-austenit. Následuje pomalé ochlazování obrobků v peci. Na výstupu se získá jemně rozptýlená směs feritu a perlitu, bez vnitřního pnutí, plastická a odolná. Neúplné žíhání je energeticky méně náročné a mění pouze strukturu perlitu, takže ferit zůstává prakticky nezměněn. Normalizace znamená vyšší rychlost poklesu teploty, ale také hrubší a méně plastickou strukturu na výstupu. U ocelových slitin s obsahem uhlíku 0,8 až 1,3 % dochází při ochlazení v rámci normalizace k rozkladu ve směru: austenit-perlit a austenit-cementit.
Dalším typem tepelného zpracování založeného na strukturálních přeměnách je homogenizace. Je použitelný pro velké díly. Znamená absolutní dosažení austenitického hrubozrnného stavu při teplotách 1000-1200 °C a expozici v peci po dobu až 15 hodin. Izotermické procesy pokračují pomalým ochlazováním, které pomáhá vyrovnat kovové struktury.
Izotermické žíhání
Každá z uvedených metod ovlivňování kovu pro zjednodušení porozuměnípovažována za izotermickou přeměnu austenitu. Každý z nich však pouze v určité fázi má charakteristické rysy. Ve skutečnosti ke změnám dochází se stálým poklesem tepla, jehož rychlost určuje výsledek.
Jednou z metod nejbližších ideálním podmínkám je izotermické žíhání. Jeho podstata spočívá také v zahřátí a udržení až do úplného rozkladu všech struktur na austenit. Chlazení probíhá v několika fázích, což přispívá k pomalejšímu, delšímu a tepelně stabilnějšímu rozkladu.
- Rychlý pokles teploty na 100˚C pod bod Ac1.
- Nucené uchování dosažené hodnoty (umístěním do pece) na dlouhou dobu, dokud nejsou dokončeny procesy tvorby feritovo-perlitových fází.
- Chlazení na klidném vzduchu.
Metoda je použitelná také pro legované oceli, které se vyznačují přítomností zbytkového austenitu v ochlazeném stavu.
Zadržený austenit a austenitické oceli
Někdy je možný neúplný rozpad, když je zde zbytkový austenit. To se může stát v následujících situacích:
- Chlazení příliš rychle, když nedojde k úplnému rozkladu. Je to strukturální složka bainitu nebo martenzitu.
- Vysokouhlíková nebo nízkolegovaná ocel, pro kterou jsou procesy austenitických disperzních přeměn komplikované. Vyžaduje speciální metody tepelného zpracování, jako je homogenizace nebo izotermické žíhání.
Pro vysoce legované -neexistují žádné procesy popsaných transformací. Legování oceli s niklem, manganem, chromem přispívá k tvorbě austenitu jako hlavní pevné struktury, která nevyžaduje další vlivy. Austenitické oceli se vyznačují vysokou pevností, odolností proti korozi a žáruvzdorností, žáruvzdorností a odolností vůči obtížným agresivním pracovním podmínkám.
Austenit je struktura, bez jejíž vzniku není možný vysokoteplotní ohřev oceli a která se účastní téměř všech způsobů jejího tepelného zpracování za účelem zlepšení mechanických a technologických vlastností.