5 ZLIATINY ŽELEZO UHLÍK

Transcript

1 5 ZLIATINY ŽELEZO UHLÍK Rovnovážne fázové diagramy ako napr. diagram Fe Fe 3 C platia pre rovnovážne podmienky vyznačujúce sa veľmi pomalou rýchlosťou ohrevu, resp. ochladzovania. Podľa tohto diagramu sa napr. stanovujú teploty žíhania ocelí. Pre prax majú väčší význam diagramy nerovnovážne s väčšou rýchlosťou ochladzovania, pomocou ktorých vieme predpovedať štruktúru a vlastnosti ocele pri reálnych procesoch jej výroby, tepelného spracovania či zvárania. Ide o premeny tzv. podchladeného austenitu, totiž pri väčších rýchlostiach ochladzovania je možné dočasne zachovať homogénnu austenitickú štruktúru aj pod teplotou A 1 a veľkosťou podchladenia ovplyvňovať tvar aj typ rozpadových fáz austenitu. Fázové premeny sa uskutočňujú dvoma pochodmi tvorbou zárodku (nukleáciou) a rastom zárodkov. Rýchlosť nukleácie závisí od veľkosti podchladenia, lebo sa zväčšuje rozdiel voľnej entalpie rozpadajúcej a vznikajúcej fázy. Vznik kritickej veľkosti zárodku a jeho ďalší rast je tiež podmienený difúziou atómov, ktorá sa s podchladením znižuje, takže celková rýchlosť premeny sa zvyšuje (t.j. inkubačná doba začiatku premeny sa skracuje) len do určitej úrovne podchladenia a potom zase klesá. Tento priebeh sa plne prejavuje aj pri premene podchladeného austenitu. Premena austenitu je sprevádzaná ako samodifúziou železa pri premene f.c.c. mriežky austenitu na b.c.c. mriežku feritu, tak aj difúziou uhlíka z presýteného feritu. Pri malom podchladení prebieha rozpad austenitu na lamelárny perlit (lamely feritu a cementitu usporiadané vedľa seba) pričom hrúbka lamiel sa zmenšuje s veľkosťou podchladenia (tzv. jemný perlit). Pri väčšom podchladení austenitu, keď rýchlosť samodifúzie železa klesá, ale difúzia intersticiálneho uhlíka je možná prebieha bainitická premena. Pozri schému oblastí premien podchladeného austenitu na obr Pri oceliach pod alebo nad eutektoidných môže premena austenitu pri pomalej rýchlosti začať vylučovaním proeutektoidného feritu, resp. cementitu. Bainit je nerovnovážna zmes doskovitých kryštálov feritu a častíc karbidov Fe 3 C vylúčených v tvare platničiek na hraniciach dosiek feritu (tzv. horný bainit) alebo vylúčených vo forme veľmi jemných platničiek vo vnútri feritických dosiek pod uhlom k ich hlavnej osi (tzv. dolný bainit). Premena mriežky Fe γ Fe α prebieha strihovým mechanizmom. Pri najväčšom podchladení je akákoľvek difúzia veľmi obtiažna a dochádza k bezdifúznej martenzitickej premene. Martenzit je presýtený tuhý roztok uhlíka v α železe. Má priestorovo centrovanú tetragonálnu mriežku. Príčinou tetragonality pôvodnej b.c.c. mriežky feritu je presýtený obsah uhlíku, ktorý spôsobuje vysoké pnutia v mriežke prejavujúce sa zvýšenou tvrdosťou a krehkosťou martenzitu. Stupeň tetragonality martenzitickej mriežky rastie s obsahom uhlíka v oceli a môže dosiahnuť pomer c/a až 1,1. Premena mriežky austenitu na martenzit nastáva šmykovým mechanizmom (laťkový martenzit) alebo dvojčatením mechanizmom (doskový martenzit preferenčne v stredne a vysokouhlíkových oceliach). Rozpad austenitu v nerovnovážnych podmienkach môže prebiehať pri konštantnej teplote, vtedy hovoríme o izotermickom rozpade austenitu (IRA), alebo pri plynulom ochladzovaní, vtedy ide o anizotermický rozpad austenitu (ARA). 65

2 Obr. 5-1 Schéma oblasti premien podchladeného austenitu 5.1 Diagramy izotermického rozpadu austenitu Diagram izotermického rozpadu austenitu (IRA) eutektoidnej uhlíkovej ocele je zobrazený na obr Podľa tvaru sa zvykne IRA diagram nazývať ako C alebo S krivky. Označenie P s a B s znamená začiatok a označenie P f a B f koniec perlitickej a bainitickej premeny. Krivky perlitickej a bainitickej premeny sa v oblasti najkratšej inkubačnej doby prekrývajú (zakreslené čiarkovane) avšak diagram sa obvykle kreslí spojite (nos kriviek). Nad nosom až po teplotu A 1 vzniká pri izotermickom rozpade perlit a pod nosom bainit. V diagrame je zakreslená aj vodorovná čiara začiatku martenzitickej premeny, ktorá však platí pre plynulé ochladzovanie austenitu. Výsledkom rozpadu je zmes martenzitu a austenitu, častejšie označovaného ako zvyškový austenit. Zvyškový austenit ostáva preto, že vzniklý martenzit má väčší merný objem ako austenit a tak neumožňuje dokončenie premeny. V prípade podeutektoidnej a nadeutektoidnej ocele sa nad krivku P s zakresľuje ešte krivka začiatku vylučovania proeutektoidného feritu F s, resp. proeutektoidného cementitu C s (obr.5-3a, a 5-3b). Vodorovná čiara M f na obr.5-3a vyznačuje koniec martenzitickej premeny. Diagramy IRA majú význam predovšetkým pre izotermické pochody ako je izotermické kalenie na bainit alebo tzv. termálne kalenie. Termálne kalenie sa využíva na zníženie vnútorných napätí pri kalení, čo je zvlášť dôležité pri kalení súčiastok zložitého tvaru kvôli zabráneniu vzniku kaliacich trhlín. Pri kalení sa sčítavajú tepelné napätia vznikajúce z rozdielnych teplôt (zmršťovania) povrchu a jadra súčiastky so štruktúrnymi napätiami vyvolanými fázovou premenou austenitu, ktorý má menší merný objem na martenzit s väčším merným objemom. Termálne kalenie má znížiť zložku tepelných napätí tak, že sa kalí do soľnej lázne, ktorá má teplotu tesne nad M s a v nej sa ponechá kvôli vyrovnaniu teplôt medzi jadrom a povrchom súčiastky, avšak len tak dlho, aby sme neprešli cez krivku B s a potom sa súčiastka dokalí do vody, resp. oleja. 66

3 Obr. 5-2 Úplný diagram IRA eutektoidnej uhlíkovej ocele Obr. 5-3 Schémy IRA diagramov: a) podeutektoidnej a nadeutektoidnej ocele Na tvar a polohu kriviek IRA diagramu má vplyv viacero činiteľov. Všetky legúry s výnimkou Al a Co posúvajú krivky doprava, t. j. predlžujú inkubačnú dobu fázových premien a zväčšujú prekaliteľnosť ocele. Karbidotvorné prísady (Cr, Mo, W a V) rozdvojujú diagram na časť perlitickej a bainitickej premeny (obr. 5-4). Významnejší je aj vplyv veľkosti austenitického zrna, t.j. teploty a dĺžky výdrže austenitizácie. Väčšie zrno posúva krivky doprava a menšie doľava. Jemnejšie zrno má väčšiu plochu hraníc zŕn 67

4 a tým podporuje difúzne premeny (skracuje inkubačnú dobu premeny). Podobný účinok má aj vplyv vmestkov v austenite. V praxi tepelného spracovania a zvárania majú väčšie uplatnenie diagramy anizotermického rozpadu austenitu (ARA). Obr. 5-4 Vplyv chrómu na diagram IRA: a diagram IRA ocele 0,42 %C, 0,68 %Mn, 0,93 %Cr, b schéma vplyvu rastúceho obsahu chrómu na diagram IRA ocele s 0,5 %C 5.2 Diagramy anizotermického rozpadu austenitu Diagramy ARA platia pre rozpad austenitu pri plynulom (anizotermickom) ochladzovaní. Oproti diagramom IRA sú čiary ARA diagramov posunuté k dlhším časom a k nižším teplotám rozpadu. Zakreslením ochladzovacích kriviek do diagramu sa dá určiť štruktúra ocele pre rôzne rýchlosti ochladzovania (obr. 5-5). Výslednou štruktúrou je vždy zmes štruktúr oblastí, ktoré ochladzovacia krivka pretína. Nie je možné získať napr. čistú bainitickú štruktúru ako v diagrame IRA. Kritická rýchlosť v k (krivka 5 na obr. 5-5) označuje najmenšiu rýchlosť ochladzovania, nad ktorou je výsledná štruktúra tvorená len martenzitom a prípadne zvyškovým austenitom. S poklesom v k sa zvyšuje prekaliteľnosť ocele. Vpravo od v k sa krivka M s zvažuje, lebo austenit, ktorý ostal po skorších premenách (bainit, perlit...) je obohatený o uhlík a teplota M s sa so zvyšujúcim obsahom C znižuje. 68

5 Obr. 5-5 Diagram ARA eutektoidnej ocele (schéma) Vyšší obsah C zvyšuje aj podiel zvyškového austenitu v martenzite, lebo teplota M f sa posúva k mínusovým teplotám. Tvar ARA diagramov pre podeutektoidnú a nadeutektoidnú oceľ je načrtnutý na obr Podobne ako pri diagramoch IRA aj pri diagramoch ARA ich tvar je ovplyvňovaný chemickým zložením ocele, austenitizačnou teplotou, výdržou a veľkosťou austenitického zrna. Obr. 5-6 Schémy ARA diagramov: a) podeutektoidnej b) nadeutektoidnej ocele Pre zváračov majú väčší význam diagramy ARA zostrojené pre podmienky zvárania. Bývajú konštruované pri ochladzovaní z teplôt podhúsenicovej oblasti (~ C) s udávaním času ochladzovania t 8/5 na časovej osi, čo je doba chladnutia medzi 800 a C. Pozri diagram ARA v podmienkach zvárania zostrojený pre oceľ na obr

6 Obr. 5-7 Diagram rozpadu austenitu v podmienkach zvárania ocele Čas t 8/5 sa dohodol ako charakteristika rýchlosti ochladzovania zváracích cyklov, lebo sa predpokladá, že pri väčšine ocelí rozpad austenitu prebieha práve v intervale C. Čas t 8/5 sa dá zistiť z nomogramov zo vzťahu medzi tepelným príkonom zvárania (vnesené teplo), zváranou hrúbkou a teplotou predhrevu (obr. 5-8). 70

7 Obr. 5-8 Nomogram stanovenia času ochladzovania t 8/5 v závislosti od hrúbky plechu, tepelného príkonu (vneseného tepla) a teploty predhrevu pre oblúkové zváranie [7] 71