ΙΑΧΥΣΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΟΜΗΣ ΧΑΛΥΒΩΝ ΣΕ ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ TTT ΚΑΙ CCT

Transcript

1 ΙΑΧΥΣΗ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΟΜΗΣ ΧΑΛΥΒΩΝ ΣΕ ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ TTT ΚΑΙ CCT ΙΑΧΥΣΗ ΟΡΙΣΜΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ιάχυση είναι ο µηχανισµός µεταφοράς ατόµων (όµοιων ή διαφορετικών µεταξύ τους) µέσα στη µάζα ενός υλικού, λόγω θερµικής διέγερσης τους. Αποτέλεσµα της διάχυσης είναι η ανάµιξη ατόµων της ίδιας ή διαφορετικών ουσιών µέσω τυχαίας θερµικής κίνησης τους. Η διάχυση ατόµων στα µεταλλικά υλικά είναι ιδιαίτερα σηµαντική, δεδοµένου ότι οι περισσότερες αντιδράσεις σε στερεά κατάσταση περιλαµβάνουν µετακινήσεις ατόµων (π.χ. κατακρήµνιση στερεάς φάσης, πυρηνοποίηση και ανάπτυξη κόκκων, κλπ.) Η διάχυση µπορεί να χρησιµοποιηθεί για τη βελτίωση των ιδιοτήτων των υλικών. Χαρακτηριστικές τέτοιες περιπτώσεις είναι: Η ενίσχυση του επιφανειακού στρώµατος χαλύβων έναντι φθοράς µε εµποτισµό ξένων ατόµων στο αντίστοιχο κρυσταλλικό πλέγµα (επιφανειακές κατεργασίες χαλύβων ενανθράκωση, εναζώτωση, βορίωση, κοκ.). Στη βιοµηχανία ηµιαγωγών, ο εµποτισµός υπερκαθαρών κρυστάλλων γερµανίου (Ge) και πυριτίου (Si) για την κατασκευή transistors. ΕΙ Η ΙΑΧΥΣΗΣ Αυτοδιάχυση (self-diffusion): Είναι η µεταφορά ατόµων καθαρού µετάλλου µέσα στο κρυσταλλικό του πλέγµα. ιάχυση αντικατάστασης ή διάχυση κενών (substitutional diffusion): Είναι η µεταφορά ξένων ατόµων ή κενών (οπών) σε πλεγµατικές θέσεις του µητρικού κρυσταλλικού πλέγµατος. Στην περίπτωση αυτή, το µέγεθος ξένων και µητρικών ατόµων είναι περίπου ίδιο και ο µηχανισµός διευκολύνεται πολύ από την ύπαρξη κενών στο αρχικό πλέγµα. Γενικά, κατά την εξέλιξη της διάχυσης παρατηρείται ροή ατόµων και κενών. ιάχυση υποκατάστασης (interstitial diffusion): Είναι η µεταφορά ξενων ατόµων σε παραπλεγµατικές θέσεις του µητρικού κρυσταλλικού πλέγµατος. Χαρακτηριστικά παραδείγµατα για κάθε είδος διάχυσης παρουσιάζονται στο Σχ. 1. Σχήµα 1: Είδη διάχυσης Επίσης χρησιµοποιούνται και οι όροι: Χωρική διάχυση (volume diffusion) για την περιγραφή της µεταφοράς ατόµων στο εσωτερικό των κόκκων πολυκρυσταλλικού υλικού. ιάχυση στα όρια κόκκων (grain-boundary diffusion) για την περιγραφή της µεταφοράς ατόµων µέσω των ορίων των κόκκων πολυκρυσταλλικού υλικού. 1

2 ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΙ ΙΑΧΥΣΗΣ Στη διάχυση αντικατάστασης (και συµπλήρωσης κενών) και στην αυτοδιάχυση, τα άτοµα µπορούν να µετακινηθούν από τη µία θέση στην άλλη, αν η ενέργεια που προέρχεται από τη θερµική διέργεσή τους υπερβεί την ενέργεια ενεργοποίησής τους q, βλ. Σχ. 2. Η ύπαρξη κενών ή ατελειών πλέγµατος µε ταυτόχρονη αύξηση της θερµοκρασίας διευκολύνουν τη µετακίνηση αυτή. Σχήµα 2: Μεταβολή της ενέργειας ταλάντωσης ατόµου Η ενέργεια ενεργοποίησης στην αυτοδιάχυση και στη διάχυση αντικατάστασης ισούται µε το άθροισµα της απαιτούµενης ενέργειας για τη δηµιουργία κενού και της ενέργειας για τη µετακίνησή του. Αντίθετα, στη διάχυση υποκατάστασης, λαµβάνει χώρα µετακίνηση ξένων ατόµων µικρότερου µεγέθους από τα µητρικά άτοµα από µία παραπλεγµατική θέση σε άλλη χωρίς να σηµειώνεται µόνιµη µετακίνηση ατόµων του µητρικού πλέγµατος. Συνεπώς, η απαιτούµενη ενέργεια ενεργοποίησης στη διάχυση υποκατάστασης είναι µικρότερη από εκείνη της διάχυσης αντικατάστασης ή συµπλήρωσης πλεγµατικών κενών. Κάθε άτοµο διάχυσης επιτελεί σειρά αλµάτων από µία θέση ισορροπίας σε άλλη ακολουθώντας τυχαία διαδροµή, διανύοντας µεγάλη διαδροµή µέσα στο κρυσταλλικό πλέγµα (Σχ. 3). Η συχνότητα αλµάτων που µπορεί να εκτελέσει ένα άτοµο εξαρτάται από το χρονικό διάστηµα που αυτό έχει ενέργεια q και ισούται µε: Συχνότητα αλµάτων = e q/kt (1) όπου: k η σταθερά Boltzmann (= J/atom K) T η απόλυτη θερµοκρασία (Κ) Χαρακτηριστικά παραδείγµατα των διαφόρων µηχανισµών διάχυσης παρουσιάζονται στα Σχ. 4 και 5. 2

3 Σχήµα 3: Τυχαία διαδροµή ατόµου υποκατάστασης Μηχανισµός διάχυσης αντικατάστασης Μηχανισµός διάχυσης υποκατάστασης Σχήµα 4: Περιγραφή των µηχανισµών διάχυσης Σχήµα 5: Παραδείγµατα διαφόρων µηχανισµών διάχυσης 3

4 ΝΟΜΟΙ ΤΗΣ ΙΑΧΥΣΗΣ Για να συµβεί διάχυση σε ένα υλικό, πρέπει να υφίσταται βάθµωση της συγκέντρωσης του διαχεοµένου στοιχείου (dc/dx), δηλαδή να παρατηρείται µεταβολή της συγκέντρωσης C του ξένου στοιχείου κατά τη διεύθυνση x, βλ. Σχ. 6. Το φαινόµενο της διάχυσης περιγράφεται µαθηµατικά από τους νόµους του Fick. O 1 ος νόµος του Fick αναφέρεται σε διάχυση υπό συνθήκες συγκέντρωσης χρονικά σταθερές, ενώ ο 2 ος νόµος του Fick περιγράφει τη διάχυση υπό συνθήκες συγκέντρωσης χρονικά µεταβαλλόµενες. Πρώτος νόµος του Fick (Σχ. 7) Σχήµα 6: ιάχυση και βάθµωση συγκέντρωσης διαχεόµενου στοιχείου Μαθηµατική έκφραση: dc J = D (2) dx όπου: J η καθαρή ροή ατόµων (σε atoms/m 2.s) dc/dx η βάθµωση της συγκέντρωσης διαχεοµένων ατόµων (σε atoms/m 3.m) D o συντελεστής διάχυσης (σε m 2 /s), ο οποίος εκφράζει την ικανότητα των ατόµων προς q/kt διάχυση και διέπεται από τη σχέση: D= Doe (3) q η ενέργεια ενεργοποίησης διαχεοµένου ατόµου (σε J/mol) T η απόλυτη θερµοκρασία (σε K) του συστήµατος διάχυσης R η παγκόσµια σταθερά των αερίων (=1.987 J/mol K) D o χαρακτηριστική σταθερά του συστήµατος διάχυσης, βλ. παρακάτω. ΣΗΜΕΙΩΣΗ:Το πρόσηµο ( ) στη σχέση (1) τίθεται για να δηλώσει φορά της διάχυσης από θέσεις µεγαλύτερης συγκέντρωσης ατόµων διαχεοµένου στοιχείου προς θέσεις µικρότερης συγκέντρωσης. 4

5 Σχήµα 7: Πρώτος νόµος του Fick Στο Σχ. 8 παρουσιάζεται η µεταβολή του συντελεστή διάχυσης D διαφόρων συστηµάτων διάχυσης µε τη θερµοκρασία. Σχήµα 8: Μεταβολή του συντελεστή διάχυσης (D) µε τη θερµοκρασία 5

6 εύτερος Νόµος του Fick (Σχ. 9) Σχήµα 9: Εξήγηση του 2 ου Νόµου Fick Μαθηµατική έκφραση: 2 C C = D 2 t x (4) όπου: C x t D η συγκέντρωση διαχεοµένων ατόµων η απόσταση o χρόνος o συντελεστής διάχυσης. 6

7 ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΙ ΧΑΛΥΒΩΝ ΣΕ ΣΤΕΡΕΑ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΓΕΝΙΚΑ Οι µετασχηµατισµοί που λαµβάνουν χώρα σε στερεά κατάσταση χαρακτηρίζονται από: (i) Την παρουσία του φαινοµένου της διάχυσης (περλιτικός µετασχηµατισµός). (ii) Την πλήρη απουσία διάχυσης (µαρτενσιτικός µετασχηµατισµός). (iii) Ενδιάµεση κατάσταση µεταξύ των δύο προηγούµενων µετασχηµατισµών (µπαινιτικός µετασχη- µατισµός). Σηµαντική επίδραση στην ανάπτυξη και εξέλιξη ενός µετασχηµατισµού σε στερεά κατάσταση έχει ο ρυθµός απόψυξης του κράµατος, όπως παρουσιάζεται στο Σχ. 10. Σχήµα 10: Επίδραση της ταχύτητας απόψυξης στους µετασχηµατισµούς χάλυβα σε στερεά κατάσταση. Σε ένα διαχυτικό µετασχηµατισµό υφίστανται δύο στάδια εξέλιξης: Η πυρηνοποίηση: Σχηµατισµός υποµικροσκοπικών σωµατιδίων (πυρήνες) νέας φάσης σε θέσεις συγκέντρωσης διαταραχών ή στα όρια κόκκων. Η ανάπτυξη: Βαθµιαία ανάπτυξη των πυρήνων σε µέγεθος εις βάρος του όγκου της µητρικής φάσης. Επειδή η ολοκλήρωση ενός διαχυτικού µετασχηµατισµού στερεάς κατάστασης απαιτεί πάρα πολύ χρόνο (κυρίως στις χαµηλές θερµοκρασίες) για να ολοκληρωθεί, το σύστηµα θεωρείται ότι πρακτικά παραµένει σε κατάσταση εκτός ισορροπίας (δηλ. απαιτείται άπειρος χρόνος ολοκλήρωσης µετασχηµατισµού). Η µελέτη του µετασχηµατισµού ενός κράµατος σε σταθερή θερµοκρασία (ισοθερµοκρασιακός µετασχηµατισµός) οδηγεί στην κατασκευή µιας καµπύλης που συνδέει το ποσοστό µετασχηµατισµού µε τον χρόνο. Η καµπύλη αυτή, λόγω της µορφής της, ονοµάζεται σιγµοειδής καµπύλη ή διάγραµµα-s, βλ. Σχ. 11. Σχήµα 11: Σιγµοειδής καµπύλη χάλυβα (διακρίνονται σαφώς όλα τα στάδια εξέλιξης: επιτάχυνση, ταχεία κινητική εξέλιξη και επιβράδυνση) 7

8 Η πρόοδος του µετασχηµατισµού παρακολουθείται είτε µε παρατήρηση των συστατικών στο µικροσκόπιο είτε µε µέτρηση της τιµής κάποιας χαρακτηριστικής φυσικής ιδιότητας της νέας φάσης, π.χ. ηλεκτρική αγωγιµότητα. ΠΕΡΛΙΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Λαµβάνει χώρα σε θερµοκρασία Τ<Α 1 σύµφωνα µε την αντίδραση γ α+fe 3 C, δηλαδή είναι µετασχηµατισµός του ωστενίτη (γ-φάση) σε περλίτη (µίγµα φερρίτη και σεµεντίτη). Μορφολογία περλίτη Ο περλίτης έχει λαµελοειδή δοµή που χαρακτηρίζεται από επάλληλες εναλλασσόµενες λωρίδες ή στρώσεις φερρίτη και σεµεντίτη µε λόγο βαρών 8:1. Η δοµή αυτή παρουσιάζει περιοδικότητα µε κύριο χαρακτηριστικό το µήκος κύµατός της, λ, βλ. Σχ. 12. Σχήµα 12: Μορφολογία περλίτη Μηχανισµός του περλιτικού µετασχηµατισµού Πρόκειται για διαχυτικό µηχανισµό που ολοκληρώνεται σε δύο φάσεις, την πυρήνωση και την ανάπτυξη. Η πυρηνοποίηση είναι ετερογενής και πραγµατοποιείται στα σύνορα των ωστενιτικών κόκκων. Στους υποευτηκτοειδείς χάλυβες πραγµατοποιείται στον προευτηκτοειδή φερρίτη, ενώ στους υπερευτηκτοειδείς στον προευτηκτικό σεµεντίτη. Η ανάπτυξη εξελίσσεται µε αύξηση του αριθµού των στρώσεων είτε µε πλευρική πυρήνωση νέων πυρήνων είτε µε διακλάδωση των υπαρχόντων πυρήνων. Ο συνολικός µηχανισµός του περλιτικού µετασχηµατισµού εξελίσσεται και ολοκληρώνεται σε 3 στάδια, όπως περιγράφεται στον Πίνακα 1. Παράγοντες που επηρεάζουν την περλιτική µικροδοµή Η υπέρψυξη ( Τ) Το µήκος κύµατος (λ) (αντιστρόφως ανάλογο της υπέρψυξης) συνδέεται µε τη θερµοκρασία µετασχηµατισµού (Τ) µε τη σχέση logλ=a-(b/t), όπου Α και Β σταθερές. Ο ρυθµός πυρήνωσης. Το µέγεθος του ωστενιτικού κόκκου. Επίδραση στις µηχανικές ιδιότητες του χάλυβα Αύξηση του ποσοστού περλίτη στον χάλυβα οδηγεί σε: Aύξηση του ορίου διαρροής (σ y ) και της αντοχής (UTS) του χάλυβα (µεγαλύτερη δυνατότητα του περλίτη έναντι του φερρίτη προς εργοσκλήρυνση). 8

9 Μείωση της ολκιµότητας και της δυσθραυστότητας (οι διεπιφάνειες φερρίτη/σεµεντίτη λειτουργούν ως θέσεις πυρήνωσης ρηγµάτων που περιορίζουν την πλαστικότητα του χάλυβα). ΠΙΝΑΚΑΣ 1. Στάδια περλιτικού µετασχηµατισµού Στάδιο Ι Σχηµατισµός πυρήνων σεµεντίτη στα όρια των κόκκων ωστενίτη. Εκατέρωθεν κάθε πυρήνα δηµιουργούνται ζώνες φτωχές σε άνθρακα. Στάδιο ΙΙ Εµφάνιση πυρήνων φερρίτη στις φτωχές σε C ζώνες που αναπτύσσονται παράλληλα προς τους πυρήνες Fe 3 C. Λόγω της µικρής διαλυτότητας του C µέσα στο φερρίτη, αυτός εκθλίβεται προς τα έξω και συµβάλλει στην ανάπτυξη ζωνών εµπλουτισµένων σε C. Στάδιο ΙΙΙ ηµιουργία νέων πυρήνων Fe 3 C στις εµπλουτισµένες µε C ζώνες. Ταυτόχρονη ανάπτυξη σε µήκος των ήδη υφισταµένων ζωνών. Επανάληψη της διαδικασίας των προηγούµενων σταδίων. ΜΑΡΤΕΝΣΙΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Γενικά χαρακτηριστικά Είναι µετατοπιστικός, δηλαδή πραγµατοποιείται µε συνεργατική µετατόπιση των ατόµων, ώστε να διατηρείται πλήρης αντιστοιχία µεταξύ αρχικών και τελικών πλεγµατικών θέσεων. Είναι µη διαχυτικός, δηλαδή δεν απαιτείται διάχυση ατόµων για την πραγµατοποίησή του. Από κινητικής απόψεως, ο µηχανισµός εξελίσσεται σχεδόν ακαριαία σε εσωτερικά σηµεία του συνολικού όγκου και σε προκαθορισµένες διευθύνσεις της αρχικής φάσης. Από απόψεως δοµής, χαρακτηρίζεται από τη σχέση ενός προσανατολισµού µεταξύ αρχικής και τελικής φάσης. Μέταλλα και κράµατα που αναπτύσσουν µαρτενσιτικό µετασχηµατισµό Τα αλλοτροπικά µέταλλα (Co, Ti, Zr, Li). Οι χάλυβες. Τα σιδηρούχα κράµατα Fe+Ni, Fe+Mn, Fe+Ni+C. Τα κράµατα χαλκού Cu+Zn, Cu+Al. Τα κράµατα τιτανίου. Η σηµασία της ταχύτητας απόψυξης στον µαρτενσιτικό µηχανισµό Στους χάλυβες ο µαρτενσιτικός µετασχηµατισµός λαµβάνει χώρα κατά την απότοµη ψύξη (βαφή) του ωστενίτη. Η ταχύτητα απόψυξης (V) πρέπει να είναι µεγαλύτερη από µια κρίσιµη τιµή (V c ), ώστε να µην ενεργοποιούνται διαχυτικοί µετασχηµατισµοί. Η κρίσιµη ταχύτητα απόψυξης εξαρτάται από την π(c), την περιεκτικότητα σε κραµατικά στοιχεία και το µέγεθος του κόκκου ωστενίτη. Θερµοκρασιακή περιοχή του µαρτενσιτικού µετασχηµατισµού Λαµβάνει χώρα µεταξύ δύο χαρακτηριστικών θερµοκρασιών, της θερµοκρασίας έναρξης (Μ S ) και της θερµοκρασίας λήξης (Μ f ) του µαρτενσιτικού µετασχηµατισµού. Το ποσοστό µαρτενσίτη αυξάνεται µε µείωση της θερµοκρασίας σύµφωνα µε την εµπειρική ( S T σχέση: ( ) 1 e α Μ ) µτ =, όπου α σταθερά και Τ η θερµοκρασία (ΜS< Τ <Μ f ). 9

10 Η θερµοκρασία έναρξης (Μ S ) εξαρτάται κυρίως από τη σύσταση του χάλυβα και κυµαίνεται από πολύ υψηλές τιµές (500 ο C) µέχρι πολύ µικρές τιµές (κάτω από τη θερµοκρασία δωµατίου), ενώ η θερµοκρασία λήξης (Μ f ) µπορεί να παίρνει και αρνητικές τιµές, βλ. Σχ. 13. Πειραµατικά προσδιορίζεται από την αλλαγή των µαγνητικών ιδιοτήτων του χάλυβα (ο ωστενίτης είναι αµαγνητικός ενώ ο µαρτενσίτης µαγνητικός). Η θερµοκρασία λήξης (Μ f ) δεν συµπίπτει πάντοτε µε την ολοκλήρωση του µαρτενσιτικού µετασχηµατισµού. Το ποσοστό ωστενίτη που δεν µετασχηµατίζεται ονοµάζεται παραµένων ωστενίτης. Σχήµα 13: Μεταβολή των Μ s, M f συναρτήσει της π(c). Σχηµατισµός και µορφολογία του µαρτενσίτη H εξέλιξη του µετασχηµατισµού γίνεται όχι µε ανάπτυξη των υφισταµένων µετασχηµατισµένων περιοχών, αλλά µε εµφάνιση µαρτενσίτη σε νέες περιοχές. Ο µαρτενσίτης κρυσταλλώνεται στο χωροκεντρωµένο τετραγωνικό σύστηµα (BCT). Η τετραγωνικότητα οφείλεται στις παραµορφώσεις που προκαλεί η κατάληψη οκταεδρικών θέσεων από τον άνθρακα (C) στο BCT κρυσταλλικό σύστηµα και εξαρτάται από την π(c). Μορφολογικά ο µαρτενσίτης µπορεί να εµφανίζεται ως: Πλακοειδής µαρτενσίτης σε παράλληλες δέσµες πάχους 0.1 µ, που περιέχουν µεγάλη ποσότητα διαταραχών. Βελονοειδής µαρτενσίτης, στο εσωτερικό του οποίου οι µαρτενσιτικές περιοχές δεν είναι παράλληλες, αλλά σχηµατίζουν µεταξύ τους απόλυτα καθορισµένες γωνίες. Η παραµόρφωση µορφής στον µαρτενσιτικό µετασχηµατισµό Η παραµόρφωση µορφής (S=ΒRL) αποτελείται από 3 συνιστώσες Β, R, L. H παραµόρφωση Bain (B) είναι η συνιστώσα της οµογενούς παραµόρφωσης πλέγµατος (BR) που µετατρέπει το εδρoκεντρωµένο κυβικό σύστηµα (FCC) του ωστενίτη στο χωροκεντρωµένο τετραγωνικό σύστηµα (BCT) του µαρτενσίτη. H περιστροφή (R) είναι η συνιστώσα της οµογενούς παραµόρφωσης πλέγµατος που προκύπτει από τη σύζευξη της µετασχηµατιζόµενης περιοχής µε την ωστενιτική φάση. Η συµπληρωµατική παραµόρφωση ή παραµόρφωση αµετάβλητου πλέγµατος (L) που πραγµατοποιείται µε ολίσθηση αταξιών ή µε σχηµατισµό διδυµιών στο µαρτενσιτικό κρύσταλλο, χωρίς να µεταβάλλει την κρυσταλλική δοµή, βλ. Σχ. 14. Ο µηχανισµός ισχυροποίησης του χάλυβα κατά τον µαρτενσιτικό µετασχηµατισµό Ο χάλυβας στον οποίο έχει σηµειωθεί µαρτενσιτικός µετασχηµατισµός παρουσιάζει δραµατική αύξηση της σκληρότητας. Τούτο οφείλεται σε µεγάλο βαθµό στην παρουσία ατόµων C σε θέσεις παρεµβολής στο BCT κρυσταλλικό πλέγµα του µαρτενσίτη. Ο άνθρακας καταλαµβάνει τις ίδιες θέσεις παρεµβολής στον ωστενίτη και στον µαρτενσίτη. Όµως, ενώ στον ωστενίτη προκαλεί 10

11 συµµετρικές παραµορφώσεις, στον µαρτενσίτη προκαλεί µη συµµετρικές παραµορφώσεις που είναι το κατ εξοχήν αίτιο για την ισχυροποίηση του στερεού διαλύµατος. Ολίσθηση αταξίας Σχήµα 14 Ολίσθηση διδυµίας ΜΠΑΙΝΙΤΙΚΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ Συνδυάζει χαρακτηριστικά διαχυτικού και µη διαχυτικού µετασχηµατισµού και λαµβάνει χώρα στη θερµοκρασιακή περιοχή (Μ s, 550 o C). Ο µηχανισµός περιλαµβάνει πυρηνοποίηση φερρίτη µετά από διάτµηση του κρυσταλλικού πλέγµατος του ωστενίτη, που συνοδεύεται από διάχυση των ατόµων C σε µικρή απόσταση µέσα στο φερρίτη και ανακατανοµή των ατόµων C µέσα στον ωστενίτη (εµπλουτισµός). Το κύριο προϊόν είναι ο µπαινίτης, ο οποίος ανάλογα µε τη θερµοκρασία σχηµατισµού του διακρίνεται σε ανώτερο µπαινίτη ( o C) και κατώτερο µπαινίτη ( o C). Η παρουσία του µπαινίτη στους χάλυβες είναι επιθυµητή, διότι εξασφαλίζεται πολύ καλή µηχανική αντοχή και καλή ολκιµότητα. Ο ανώτερος µπαινίτης σχηµατίζεται σε δύο στάδια όπως περιγράφεται στο Σχ. 15 και είναι σκληρότερος από τον περλίτη. Στάδιο Ι Πυρήνωση και ανάπτυξη λεπτών πλακιδίων φερρίτη (φάση-α), µε παράλληλο εµπλουτισµό του ωστενίτη (φάση-γ) σε άνθρακα (C). Στάδιο ΙΙ Ο εµπλουτισµός του ωστενίτη σε C οδηγεί σε καθίζηση σεµεντίτη (Fe 3 C) µεταξύ των πλακιδίων του φερρίτη. Σχήµα 15: Στάδια σχηµατισµού ανώτερου µπαινίτη Ο κατώτερος µπαινίτης σχηµατίζεται σύµφωνα µε τα στάδια που περιγράφονται στο Σχ

12 Στάδιο Ι Πυρήνωση και ανάπτυξη λεπτών πλακιδίων φερρίτη (φάση-α) στην ωστενιτική περιοχή σε καθορισµένες προτιµητέες διευθύνσεις µέσα στα οκταεδρικά επίπεδα του fcc πλέγµατος, µετά από διάτµηση του κρυσταλλικού πλέγµατος του ωστενίτη. Στάδιο ΙΙ Καθίζηση σεµεντίτη µέσα στο φερρίτη), µε παράλληλο εµπλουτισµό του ωστενίτη (φάση-γ) σε άνθρακα αλλά σε µικρότερο ποσοστό απ ό,τι στον ανώτερο µπαινίτη. Στάδιο ΙIΙ Ο εµπλουτισµός του ωστενίτη σε C οδηγεί σε καθίζηση σεµεντίτη (Fe 3 C) και µεταξύ των πλακιδίων του φερρίτη. Σχήµα 16: Στάδια σχηµατισµού κατώτερου µπαινίτη 12

13 ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ TTT ΚΑΙ CCT ΟΡΙΣΜΟΙ ιάγραµµα ΤΤΤ είναι διάγραµµα θερµοκρασίας χρόνου, στο οποίο αποτυπώνεται η έναρξη και η λήξη των ισόθερµων µετασχηµατισµών των χαλύβων. ιάγραµµα CCT είναι διάγραµµα θερµοκρασίας χρόνου, στο οποίο αποτυπώνεται η έναρξη και η λήξη των µετασχηµατισµών κατά τη συνεχή απόψυξη των χαλύβων. Χαρακτηριστικά διαγράµµατα TTT και CCΤ για ευτηκτοειδή χάλυβα παρουσιάζονται στο Σχ. 17. Σχήµα 17: (α) ιάγραµµα ΤΤΤ, (β) ιάγραµµα CCT για ευτηκτοειδή χάλυβα ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΤΤΤ Στο Σχ. 18 περιγράφεται ο τρόπος κατασκευής ενός διαγράµµατος ΤΤΤ µε τη βοήθεια των σιγµοειδών καµπυλών σε συγκεκριµένη θερµοκρασία. ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ 1. Για δεδοµένη θερµοκρασία (έστω 675 ο C) κατασκευάζεται η αντίστοιχη σιγµοειδής καµπύλη. 2. Σηµειώνονται επί της σιγµοειδούς καµπύλης τα σηµεία µε τα αντίστοιχα ποσοστά µετασχηµατισθέντος ωστενίτη, έστω 0%, 50% και 100%. 3. Από τα παραπάνω σηµεία άγονται κατακόρυφες προς το κάτω διάγραµµα που τέµνουν την ισοθερµοκρασιακή των 675 ο C στα σηµεία 1, 2 και 3 αντίστοιχα. 4. Επαναλαµβάνοντας την ίδια εργασία για µεγάλο αριθµό θερµοκρασιών, κατασκευάζεται το διάγραµµα ΤΤΤ του εν λόγω χάλυβα. Σχήµα 18: Κατασκευή διαγράµµατος ΤΤΤ 13

14 ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΤΤΤ ΚΑΙ CCT ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ Το διάγραµµα ΤΤΤ διαβάζεται κατά µήκος του άξονα των χρόνων (t). To διάγραµµα CCT διαβάζεται κατά µήκος των καµπυλών απόψυξης, όπως οι καµπύλες R και S στο Σχ. 17(β). Οι καµπύλες του διαγράµµατος CCΤ σε σχέση µε τις αντίστοιχες του διαγράµ- µατος ΤΤΤ είναι µετατοπισµένες προς χαµηλότερες θερµοκρασίες και µεγαλύτερους χρόνους, δηλ. µετατοπίζονται προς τα κάτω και δεξιά. Σχήµα 19: Σύγκριση διαγραµµάτων TTT και CCT χαλύβων ΠΡΟΣ ΙΟΡΙΣΜΟΣ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΩΝ ΧΑΛΥΒΑ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΤΩΝ ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ΤΤΤ ΚΑΙ CCT (Σχ. 20) ιάγραµµα ΤΤΤ A: Περλίτης B: Μίγµα περλίτη/µαρτενσίτη Γ: Μαρτενσίτης Σχήµα 20 ιάγραµµα CCT 14

15 H ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΩΝ ΚΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Ταξινόµηση των στοιχείων κραµάτωσης των χαλύβων (Σχ. 21) Γαµµαφερρογόνα (Mn, Ni, Co) είναι τα κραµατικά στοιχεία που επιφέρουν διεύρυνση της περιοχής σταθερότητας του ωστενίτη (γ-φάση) µε ελάττωση των κρίσιµων θερµοκρασιακών περιοχών µετασχηµατισµού. Αλφαφερρογόνα (Cr, Si, Mo, W, V, Al, Ti, Nb) είναι τα κραµατικά στοιχεία που επιφέρουν διεύρυνση της περιοχής σταθερότητας του φερρίτη (α-φάση) και παράλληλη συρρίκνωση της περιοχής σταθερότητας του ωστενίτη, µε αύξηση των θερµοκρασιών µετασχηµατισµού. Καρβιδιογόνα (Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Ti) είναι κραµατικά στοιχεία που έχουν την τάση να σχηµατίζουν καρβίδια. Γραφιτίζοντα (Si, Ni, Al) είναι τα στοιχεία που καταλύουν την αντίδραση διάσπασης του σεµεντίτη, δηλ. αναστέλλουν τη δηµιουργία καρβιδίων. (α) (β) Σχήµα 21: Επίδραση των στοιχείων κραµάτωσης στο διµερές διάγραµµα Fe-C (α) γ φερρογόνα, (β)α-φερρογόνα στοιχεία Η θερµοκρασία έναρξης µαρτενσιτικού µετασχηµατισµού (Μ S ) εξαρτάται από τη σύσταση του χάλυβα ως εξής: Τα γ-φερρογόνα µειώνουν τη Μ S διότι απαιτείται µεγαλύτερη χηµική κινούσα δύναµη για την πυρήνωση, ενώ τα α-φερρογόνα τη µειώνουν επίσης λόγω ισχυροποίησης του στερεού διαλύµατος στον ωστενίτη που παρεµποδίζει την ολίσθηση των αταξιών. Η επίδραση των κραµατικών στοιχείων απεικονίζεται στην ακόλουθη εµπειρική σχέση για τον προσδιορισµό της Μ S Μ S = C Mn Ni Cr - 7.5Mo Επίδραση των στοιχείων κραµάτωσης στα διαγράµµατα ΤΤΤ και CCT Αύξηση του ποσοστού C µετατοπίζει τις καµπύλες προς τα δεξιά. Προσθήκη καρβιδιογόνων στοιχείων κραµάτωσης προκαλεί: Μετατόπιση της προεξοχής µετασχηµατισµού του ωστενίτη σε περλίτη/µπαινίτη προς τα δεξιά. Σχηµατισµό διαφορετικής προεξοχής για τον µπαινίτη και πλήρη διαχωρισµό περλιτικής και µπαινιτικής περιοχής. Τα α-φερρογόνα στοιχεία µετατοπίζουν τις καµπύλες προς τα δεξιά, χωρίς να µεταβάλλουν τη µορφή τους. Τα γ-φερρογόνα στοιχεία προκαλούν επίσης µετατόπιση προς τα δεξιά που είναι πιο σηµαντική στην περλιτική περιοχή από ό,τι στη µπαινιτική. 15

16 Επίδραση των στοιχείων κραµάτωσης στον ευτηκτοειδή µετασχηµατισµό (Σχ. 22) (α) (β) Σχήµα 22: Επίδραση των κραµατικών στοιχείων στον ευτηκτοειδή µετασχηµατισµό: (α) Στην ευτηκτοειδή θερµοκρασία, (β) στην ευτηκτοειδή σύσταση. 16

17 Χαρακτηριστικά µικρογραφήµατα Μπαινίτης 17