10. Η φυσική μεταλλουργία των χαλύβων

10. Η φυσική μεταλλουργία των χαλύβων ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο χάλυβας είναι το σημαντικότερο και πιο διαδεδομένο υλικό των μηχανολογικών κατασκευών. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο γεγονός ότι η αλλοτροπία του σιδήρου και οι μετασχηματισμοί φάσεων στους χάλυβες επιτρέπουν τον σχηματισμό μιας μεγάλης ποικιλίας μικροδομών που οδηγεί σ ένα αντίστοιχα μεγάλο εύρος μηχανικών ιδιοτήτων. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία της φυσικής μεταλλουργίας των χαλύβων. Ο σίδηρος σχηματίζει στερεά διαλύματα παρεμβολής και αντικαταστάσεως. Ο άνθρακας είναι το σημαντικότερο στοιχείο παρεμβολής αφού η περιεκτικότητα σε άνθρακα ενός χάλυβα επηρεάζει τόσο τη θερμοδυναμική και κινητική των μετασχηματισμών όσο και τις μηχανικές ιδιότητες. Τα κραματικά στοιχεία αντικαταστάσεως συμπεριφέρονται ως σταθεροποιητές της ωστενιτικής ή της φερριτικής φάσεως ή ως καρβιδιογόνα στοιχεία. Επίσης επηρεάζουν την κινητική των μετασχηματισμών αφού απαιτείται η διάχυσή τους για την πραγματοποίηση ενός μετασχηματισμού. Η μεγαλύτερη ποικιλία μικροδομών στους χάλυβες σχηματίζεται κατά τον μετασχηματισμό του ωστενίτη όταν αυτός ψύχεται. Έτσι ανάλογα με τη θερμοκρασία μετασχηματισμού ή το ρυθμό ψύξεως είναι δυνατόν να σχηματιστεί προευτηκτοειδής φερρίτης, περλίτης, μπαινίτης ή μαρτενσίτης. Η κινητική των μετασχηματισμών αυτών αποτυπώνεται στα διαγράμματα ΙΤ και CCT. Η εμβαπτότητα ενός χάλυβα είναι η ευκολία σχηματισμού μαρτενσίτη κατά τη βαφή. Η προσθήκη κραματικών στοιχείων σ ένα χάλυβα αυξάνει την εμβαπτότητά του. Επειδή ο μαρτενσίτης που προκύπτει από τη βαφή είναι μεν σκληρός αλλά ταυτόχρονα ψαθυρός, την βαφή ακολουθεί μία θερμική κατεργασία που ονομάζεται επαναφορά. Με την επαναφορά προσδίδεται στον χάλυβα ολκιμότητα έναντι μικρής σχετικά μειώσεως της σκληρότητας. Σε χάλυβες που περιέχουν σημαντικό ποσοστό καρβιδιογόνων στοιχείων η δευτερογενής σκλήρυνση κατά την επαναφορά επιφέρει ένα βέλτιστο συνδυασμό σκληρότητας και δυσθραυστότητας. Η διαμόρφωση της δομής και των ιδιοτήτων των χαλύβων πραγματοποιείται με τις θερμικές κατεργασίες. Οι κυριότερες θερμικές κατεργασίες αφορούν την ανόπτηση (πλήρης και ισόθερμη ανόπτηση, αποτατική ανόπτηση, εξομάλυνση) ή την ισχυροποίηση (βαφή και επαναφορά). Με τις επιφανειακές κατεργασίες επηρεάζεται μόνον η επιφάνεια ενός μηχανολογικού στοιχείου. Οι σημαντικότερες επιφανειακές κατεργασίες είναι η επιφανειακή σκλήρυνση, η ενανθράκωση και η εναζώτωση. Σκοπός Με την μελέτη αυτού του κεφαλαίου θα μπορείτε να περιγράφετε τον ρόλο των κραματικών στοιχείων στους χάλυβες να πραγματοποιείτε απλούς υπολογισμούς ισορροπίας, π.χ. να υπολογίζετε το ποσοστό περλίτη στους ανθρακοχάλυβες να χρησιμοποιείτε τα διαγράμματα IT και CCT για να προσδιορίζετε την μικροδομή ενός χάλυβα στο τέλος μιας θερμικής κατεργασίας να διακρίνετε τους χάλυβες ως προς την εμβαπτότητά τους να περιγράφετε τις βασικότερες θερμικές και επιφανειακές κατεργασίες των χαλύβων να προδιαγράφετε μία θερμική κατεργασία για την διαμόρφωση συγκεκριμένης μικροδομής και ιδιοτήτων 1

10.1 Εισαγωγή Στα προηγούμενα κεφάλαια του βιβλίου αναπτύξαμε τις θεμελιώδεις αρχές της Φυσικής Μεταλλουργίας. Στο παρόν κεφάλαιο θα επιχειρήσουμε την εφαρμογή αυτών των αρχών στο σημαντικότερο τεχνολογικά μεταλλικό υλικό, που χρησιμοποιεί ο άνθρωπος, τον χάλυβα. Σήμερα οι χάλυβες αποτελούν πάνω από το 80% των βιομηχανικών κραμάτων. Αυτό βασικά οφείλεται τόσο στο χαμηλό τους κόστος όσο και στην σχετική ευκολία παραγωγής χαλύβων σε μεγάλες ποσότητες με ακριβείς προδιαγραφές. Οι χάλυβες παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα μηχανικών ιδιοτήτων με αντοχές που κυμαίνονται από 200 έως και 5000ΜPα. Άλλοι πρόσθετοι λόγοι για την υπεροχή των χαλύβων είναι οι εξής: (α) Τα μεγάλα παγκόσμια αποθέματα μεταλλεύματος (ο φλοιός της γης περιέχει ~ 4% Fe), που ανάγονται εύκολα στη μεταλλική κατάσταση σε συνδυασμό με τη δυνατότητα ανακυκλώσεως του παλαιοσιδήρου (scrap). (β) Το σημείο τήξεως του σιδήρου (1539 C) επιτρέπει τη θερμική ενεργοποίηση διεργασιών σε θερμοκρασίες (Τ>400 C) που επιτυγχάνονται σχετικά εύκολα και ελέγχονται βιομηχανικά. (γ) Η αλλοτροπία του σιδήρου και οι μετασχηματισμοί φάσεων στους χάλυβες (π.χ. ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός) επιτρέπουν τον σχηματισμό μιας μεγάλης ποικιλίας μικροδομών που οδηγεί σε ένα αντίστοιχα μεγάλο εύρος μηχανικών ιδιοτήτων. Ο χάλυβας είναι ίσως το πιο σύνθετο μεταλλικό κράμα. Η ευρεία εμπειρική γνώση που έχει συσσωρευτεί (από το 2000π.Χ. που χρησιμοποιείται) δεν έχει οδηγήσει στην πλήρη κατανόηση της δομής και της συμπεριφοράς του. Μόνον πρόσφατα (κατά τον 20ο αιώνα) υπήρξε πρόοδος σε μια πιο επιστημονική προσέγγιση και ουσιαστική κατανόηση των χαλύβων, γεγονός που αποδεικνύεται με την ανάπτυξη νέων χαλύβων (π.χ. ανοξείδωτοι και πυρίμαχοι χάλυβες) οι οποίοι ανταποκρίνονται σε ειδικές απαιτήσεις. Στο παρόν κεφάλαιο αναπτύσσονται τα σημαντικότερα στοιχεία της φυσικής μεταλλουργίας των χαλύβων με βάση τις θεμελιώδεις αρχές, που συζητήσαμε στα προηγούμενα κεφάλαια. Ετσι θα ξεκινήσουμε από την δομή των χαλύβων και συγκεκριμένα από τα στερεά διαλύματα του σιδήρου, θα προχωρήσουμε στη μελέτη της θερμοδυναμικής - διαγράμματα φάσεων- και της διαχύσεως, στοιχεία που θα μας βοηθήσουν στη μελέτη των μετασχηματισμών φάσεων στους χάλυβες. Συγκεκριμένα θα δούμε πως ο ωστενίτης μετασχηματίζεται κατά την ψύξη του σε φερρίτη, περλίτη, μπαινίτη ή μαρτενσίτη για την δημιουργία ποικιλίας μικροδομών με μεγάλο εύρος μηχανικών ιδιοτήτων. Τέλος θα δούμε τις κυριότερες θερμικές κατεργασίες, στις οποίες υποβάλλουμε τους χάλυβες, για να αποκτήσουν την επιθυμητή δομή και ιδιότητες. 2

10.2 Στερεά διαλύματα του σιδήρου 10.2.1 Στερεά διαλύματα παρεμβολής Στο Κεφ.2 έχουμε συζητήσει την αλλοτροπία του σιδήρου με τον α-fe (BCC) να κυριαρχεί μέχρι τους 910 o C, τον γ-fe (FCC) μεταξύ 910 και 1400 ο C, και τον α-fe να επανεμφανίζεται μεταξύ 1400 o C και σημείου τήξεως. Τα στοιχεία B, H, C, O, N μπορούν να καταλάβουν θέσεις παρεμβολής στα κρυσταλλικά πλέγματα τουα και γ-fe σχηματίζοντας στερεά διαλύματα παρεμβολής. Όλα τα πιο πάνω στοιχεία έχουν ατομική ακτίνα πολύ μικρότερη από εκείνη του σιδήρου, αλλά η στερεά διαλυτότητα των στοιχείων αυτών δεν εξαρτάται μόνον από το μέγεθός τους. Όπως είδαμε και στο Κεφ. 2 ο άνθρακας δεν καταλαμβάνει τις τετραεδρικές θέσεις παρεμβολής αλλά τις μικρότερες οκταεδρικές θέσεις, διότι αυτή η διάταξη οδηγεί σε συνολική μείωση των παραμορφώσεων του πλέγματος. Το στερεό διάλυμα του α-fe με άνθρακα ονομάζεται φερρίτης, ενώ το αντίστοιχο στερεό διάλυμα του γ-fe με άνθρακα, ονομάζεται ωστενίτης. Η στερεά διαλυτότητα του άνθρακα και του αζώτου στον α και γ-fe φαίνονται στον Πιν. 10.1. Η διαλυτότητα είναι πολύ μεγαλύτερη στον ωστενίτη απ ότι στον φερρίτη λόγω των μεγαλύτερων θέσεων παρεμβολής, που υπάρχουν στον ωστενίτη. Για παράδειγμα ο ωστενίτης μπορεί να διαλύσει 2% άνθρακα ενώ ο φερρίτης μόλις 0.02% κ.β. Οι διαφορές αυτές είναι πολύ σημαντικές στην θερμική κατεργασία των χαλύβων όπως π.χ. η ενανθράκωση και η βαφή. Κατά την ενανθράκωση ο χάλυβας θερμαίνεται στην ωστενιτική περιοχή (π.χ. 950 C) σε περιβάλλον πλούσιο σε άνθρακα (π.χ. σε σκόνη γραφίτη). O άνθρακας διαχέεται στο κρυσταλλικό πλέγμα του σιδήρου (με διάχυση παρεμβολής) εμπλουτίζοντας την επιφάνειά του. Στη συνέχεια ο χάλυβας υφίσταται βαφή (quenching), δηλαδή από το μη ψύξη σε νερό ή λάδι. Με τη βαφή ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη, μία νέα φάση που θα συζητήσουμε πιο κάτω, στο κρυσταλλικό πλέγμα του οποίου εγκλωβίζεται ο άνθρακας που είχε διαλυθεί στον ωστενίτη. Η παρουσία μιας μεγάλης ποσότητας άνθρακα σε ένα πλέγμα που δεν μπορεί να διαλύσει τόσο άνθρακα προκαλεί σημαντικές μη-συμμετρικές παραμορφώσεις, παρεμποδίζοντας έτσι την ολίσθηση των αταξιών. Έτσι η σκληρότητα του χάλυβα αυξάνεται σημαντικά στην επιφάνειά του και ο χάλυβας αποκτά αντιτριβικές ιδιότητες. 3

Πιν. 10.1 Μέγιστη στερεά διαλυτότητα C και N στον α και γ-fe Στοιχείο Πλέγμα Θερμοκρασία ( C) Στερεά διαλυτότητα C α-fe 723 20 C γ-fe 1147 723 N α-fe 590 20 N γ-fe 650 590 %κ.β. 0.025 0.00005 2.1 0.8 0.1 0.0001 2.8 2.35 %ατ. 0.095 0.00012 8.8 3.6 0.40 0.0004 Πηγή: R. W. K. Honeycombe, H. K. D. H. Bhadeshia, Steels: Microstructures and Properties, Edward Arnold, London, 1995 10.3 8.75 Παρόμοια τεχνική για την επιφανειακή σκλήρυνση του χάλυβα είναι και η εναζώτωση, η οποία αφορά τον εμπλουτισμό της επιφάνειας του χάλυβα σε άζωτο. Η εισαγωγή αζώτου οδηγεί στο σχηματισμό νιτριδίων του σιδήρου, τα οποία έχοντας μεγάλη σκληρότητα, συνεισφέρουν στην αύξηση της επιφανειακής σκληρότητας του χάλυβα. Οι διεργασίες που περιγράψαμε πιο πάνω, πραγματοποιούνται με διάχυση. Επίσης για την πραγματοποίηση των περισσότερων μετασχηματισμών φάσεων στους χάλυβες, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η διάχυση των κραματικών στοιχείων. Θυμίζουμε ότι τα βασικά στοιχεία της διαχύσεως στα μέταλλα τα έχουμε συζητήσει στο Κεφ.5. Εκεί είδαμε ότι η ταχύτητα διαχύσεως αυξάνεται εκθετικά με τη θερμοκρασία. Οι συντελεστές διαχύσεως των C και Ν στον α και γ-fe ακολουθούν τη σχέση * exp H D D= D0 RT (10.1) όπου * H D είναι η ενέργεια ενεργοποιήσεως για διάχυση. Στον Πιν. 10.2 δίδονται οι τιμές των D 0 και * H D. Παρατηρούμε ότι η ενέργεια ενεργοποιήσεως για διάχυση C και N στον α- Fe είναι σημαντικά μικρότερη από εκείνη που απαιτείται για διάχυση στον γ-fe. Επομένως η διάχυση άνθρακα και αζώτου στον φερρίτη είναι ταχύτερη απ ότι στον ωστενίτη. Αυτό οφείλεται στην πιο "ανοικτή" δομή του φερρίτη, που επιτρέπει ευκολότερη μετακίνηση των C και N μεταξύ των ατόμων του σιδήρου. 4

Πιν. 10.2 Συντελεστές διαχύσεως του C και Ν στον α και γ-fe. Στοιχείο Πλέγμα Do (cm 2 /s) * H D (KJ/mol) C α-fe 6.2x10-3 80 C γ-fe 0.15 135 N α-fe 3.0x10-3 76 Πηγή: F. H. Wohlbier, Materials Review Series, Vol.12, Trans. Tech. Publication, 1976 Στα υπέρκορα στερεά διαλύματα Fe-C και Fe-N ο άνθρακας και το άζωτο υφίστανται καθίζηση σχηματίζοντας μετασταθείς φάσεις. Οι φάσεις αυτές έχουν χαμηλότερη ενέργεια ενεργοποιήσεως για πυρήνωση από τις αντίστοιχες φάσεις ευσταθούς ισορροπίας. Έτσι αν ένας χάλυβας που περιέχει 0.025%C (κ.β.) θερμανθεί στους 720 C και στη συνέχεια ψυχθεί απότομα στη θερμοκρασία δωματίου, θα προκύψει φερρίτης με σημαντικό υπερκορεσμό σε άνθρακα, αφού σε κατάσταση ισορροπίας ο φερρίτης μπορεί να διαλύσει μόνο 0.00005% κ.β. άνθρακα σε θερμοκρασία δωματίου. Εάν ο χάλυβας αυτός θερμανθεί, θα υποστεί γήρανση (aging) οπότε ο επιπλέον άνθρακας θα υποστεί καθίζηση με τη μορφή μετασταθών φάσεων και όχι με τη μορφή τουγραφίτη πουαποτελεί τη φάση ευσταθούς θερμοδυναμικής ισορροπίας. Κατά τη γήρανση σε θερμοκρασίες έως 200 C σχηματίζεται το ε-καρβίδιο με σύσταση μεταξύ Fe 2.4 C και Fe 3 C και εξαγωνική δομή. Κατά τη γήρανση σε θερμοκρασία μεγαλύτερη των 200 C σχηματίζεται ο σεμεντίτης με σύσταση Fe 3 C και ορθορομβική δομή. Η πυρήνωση του σεμεντίτη πραγματοποιείται ετερογενώς πάνω στις διεπιφάνειες μεταξύ φερρίτη και ε-καρβιδίων, τα οποία στη συνέχεια διαλύονται. Ο σεμεντίτης αναπτύσσεται με τη μορφή πλακιδίων πάνω στα επίπεδα { 110 με προτιμητέα διεύθυνση αναπτύξεως την } α 111. Παρόμοια εικόνα παρουσιάζουν τα υπέρκορα διαλύματα Fe-Ν. Με γήρανση κάτω α από τους 200 C σχηματίζεται το μετασταθές νιτρίδιο Fe 16 N 2 (φάση α ) με δομή BCT, ενώ πάνω από τους 200 C το νιτρίδιο αυτό αντικαθίσταται από το γ νιτρίδιο Fe 4 N με τακτική δομή FCC. Αν και η γήρανση κάτω από τους 200 C συνοδεύεται από σημαντική αύξηση της σκληρότητας (λόγω της καθιζήσεως Fe 16 N 2 ) στους εμπορικούς χάλυβες το άζωτο συνδυάζεται με το αλουμίνιο (που προστίθεται για λόγους αποξειδώσεως) για τον σχηματισμό AlN. Έτσι η ισχυροποίηση των χαλύβων αυτών προέρχεται κυρίως από τον άνθρακα. 5

Το διμερές διάγραμμα φάσεων Fe-C έχει ήδη συζητηθεί στο Κεφ. 4. Το διάγραμμα του Σχ. 10.1 στην πραγματικότητα εκφράζει την ισορροπία μεταξύ σιδήρου και σεμεντίτη, αφού ο γραφίτης δεν σχηματίζεται στους χάλυβες (με περιεκτικότητα 0.01-2%κ.β. C), παρά μόνο στους χυτοσιδήρους (με περιεκτικότητα 2-4% κ.β. C). Η διαφορά στερεάς διαλυτότητας μεταξύ ωστενίτη και φερρίτη αντανακλάται στη σημαντική διαφορά στην έκταση των φασικών πεδίων α και γ. Έτσι η μέγιστη στερεά διαλυτότητα του άνθρακα στον ωστενίτη είναι 2.1% στους 1149 C ενώ η μέγιστη στερεά διαλυτότητα του άνθρακα στον φερρίτη είναι 0.025% στους 723 C. Τα κράματα με περιεκτικότητα έως 2% άνθρακα αποκαλούνται χάλυβες, ενώ τα κράματα με περιεκτικότητα μεγαλύτερη από 2% αποκαλούνται χυτοσίδηροι. Στο διάγραμμα Fe-C υπάρχουν τρεις αμετάβλητες αντιδράσεις, που παρουσιάστηκαν στο Κεφ. 4, δηλαδή η περιτηκτική, η ευτηκτική και η ευτηκτοειδής αντίδραση. Η ευτηκτική αντίδραση έχει μεγαλύτερη σημασία στους χυτοσιδήρους (>2%C) ενώ η ευτηκτοειδής αντίδραση επηρεάζει τόσο τους χάλυβες όσο και του χυτοσιδήρους. Τώρα θα εστιάσουμε την προσοχή μας στην κάτω αριστερή γωνία του διαγράμματος Fe-C, που περιλαμβάνει την ευτηκτοειδή αντίδραση (Σχ.10.2). Στο διάγραμμα αυτό υπάρχουν δύο κρίσιμες θερμοκρασίες. Η πρώτη είναι η Α 1, που είναι η θερμοκρασία της ευτηκτοειδούς αντιδράσεως, δηλαδή 723 C (γραμμή ΒΕΔ). Η δεύτερη είναι η Α 3, η θερμοκρασία μετασχηματισμού α γ (γραμμή ΑΕ). Οι θερμοκρασίες Α 1 και Α 3 προσδιορίζονται πειραματικά με θερμική ανάλυση ή διαστολομετρία υποβάλλοντας ένα δοκίμιο χάλυβα σε θέρμανση ή ψύξη. Οι τιμές Α 1 και Α 3 εξαρτώνται από τους ρυθμούς θερμάνσεως και ψύξεως καθώς και από την περιεκτικότητα του χάλυβα σε κραματικά στοιχεία. Οι χάλυβες που δεν περιέχουν κραματικά στοιχεία αντικαταστάσεως παρά μόνον άνθρακα ονομάζονται ανθρακοχάλυβες (carbon steels). Ανάλογα με την περιεκτικότητα τους σε άνθρακα οι χάλυβες αυτοί διακρίνονται σε ευτηκτοειδείς (όταν %C=0.8), υποευτηκτοηδείς (όταν %C<0.8) και υπερευτηκτοειδείς (όταν %C>0.8). Όταν ένας ευτηκτοειδής χάλυβας θερμανθεί στην ωστενιτική περιοχή και στη συνέχεια ψυχθεί αργά, τότε η ευτηκτοειδής αντίδραση κατά την ψύξη θα τον μετατρέψει σε 100% περλίτη. Στο Σχ. 10.2 φαίνεται η ψύξη του χάλυβα από τους 900 C (σημείο Κ) στη θερμοκρασία δωματίου. Όταν κατά τη ψύξη η θερμοκρασία φτάσει την Α 1 (σημείο Ε) τότε η ευτηκτοειδής αντίδραση (.8%C) α( 0.025%C) + Fe C γ (10.2) 0 3 θα μετατρέψει τον ωστενίτη σε περλίτη (P). Στο Σχ. 10.2 φαίνεται σχηματικά η απεικόνιση της μικροδομής στα σημεία Κ 1 και Κ 2 σε θερμοκρασίες Α 1 +θ και Α 1 -θ αντίστοιχα 1. Ο 1 Οι όροι Α 1 +θ και Α 1 -θ υποδηλώνουν θερμοκρασίες λίγο πάνω και λίγο κάτω από την Α 1 αντίστοιχα. 6

περλίτης δεν είναι φάση αλλά μίγμα φάσεων φερρίτη και σεμεντίτη. Οι φάσεις αυτές αναπτύσσονται συνεργατικά από τον ωστενίτη σχηματίζοντας μία μικροδομή με αλληλουχία πλακιδίων φερρίτη/σεμεντίτη (Σχ.10.3α). Στον περλιτικό μετασχηματισμό θα αναφερθούμε με μεγαλύτερη λεπτομέρεια στη συνέχεια του κεφαλαίου. Τα ποσοστά φερρίτη και σεμεντίτη στον περλίτη υπολογίζονται αν εφαρμόσουμε το κανόνα του μοχλού στη θερμοκρασία Α 1 : f a 6.67 0.8 = = 88.3% 6.67 0.025 0.8 0.025 f Fe 11.7% 3 C = = 6.67 0.025 Ας δούμε τώρα την αργή ψύξη ενός υποευτηκτοειδούς χάλυβα με περιεκτικότητα 0.4%C από τους 900 C (σημείο Ζ στο Σχ. 10.2). Στο σημείο Ζ 1 (Α 3 +θ) ο χάλυβας αποτελείται από 100% ωστενίτη. Κατά την ψύξη κάτω από την Α 3 ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε φερρίτη ( γ α ), όπως δείχνει και η απεικόνιση της δομής στο σημείο Ζ 2 (Α 3 -θ). Η πυρήνωση του φερρίτη πραγματοποιείται στα σύνορα των ωστενιτικών κόκκων. Κατά την ψύξη από το σημείο Ζ 2 στο σημείο Ζ 3, μέσα στην διφασική περιοχή α+γ, σχηματίζεται περισσότερος φερρίτης, ενώ ο υπόλοιπος ωστενίτης εμπλουτίζεται διαρκώς σε άνθρακα. Ο εμπλουτισμός αυτός ακολουθεί την γραμμή ΑΕ του διαγράμματος φάσεων και οφείλεται στην απόρριψη του άνθρακα από τον φερρίτη προς τον ωστενίτη λόγω της μεγάλης διαφοράς στη στερεά διαλυτότητα που συζητήσαμε πιο πάνω. Σύμφωνα με τον κανόνα του μοχλού, στη θερμοκρασία Α 1 +θ (σημείο Ζ 3 ) η μικροδομή αποτελείται από φερρίτη και ωστενίτη με ποσοστά f a 0.8 0.4 = = 51.6% 0.8 0.025 f γ 0.4 0.025 = = 48.4% 0.8 0.025 Ο ωστενίτης όμως τώρα έχει αποκτήσει την ευτηκτοειδή σύσταση (0.8%C). Έτσι κατά την ψύξη κάτω από την θερμοκρασία Α 1, η ευτηκτοειδής αντίδραση μετασχηματίζει τον ωστενίτη σε περλίτη. Έτσι στη θερμοκρασία Α 1 -θ (σημείο Ζ 4 ) θα υπάρχει 51,6% φερρίτης και 48,4% περλίτης. Η κατάσταση δεν αλλάζει σημαντικά κατά την περαιτέρω ψύξη του χάλυβα στη θερμοκρασία δωματίου. Ο φερρίτης, που σχηματίζεται κατά την ψύξη από την θερμοκρασία Α 3 στην θερμοκρασία Α 1, ονομάζεται προευτηκτοειδής φερρίτης, γιατί σχηματίζεται σε θερμοκρασίες υψηλότερες της Α 1 πριν πραγματοποιηθεί η ευτηκτοειδής αντίδραση. Έτσι οι 7

υποευτηκτοειδείς χάλυβες (με σύσταση μικρότερη από 0.8% C) αποτελούνται από προευτηκτοειδή φερρίτη και περλίτη (Σχ.10.3β). Η δομή των χαλύβων αυτών αποκαλείται συνήθως και φερριτοπερλιτική. Με τον ίδιο τρόπο μπορούμε να παρακολουθήσουμε την αργή ψύξη ενός υπερευτηκτοειδούς χάλυβα με περιεκτικότητα 1.0%C. Η ψύξη ξεκινά από τους 900 C (σημείο Η στο Σχ. 10.2). Στο σημείο Η 1 ο χάλυβας αποτελείται από 100% ωστενίτη. Κατά την ψύξη κάτω από την γραμμή ΓΕ πραγματοποιείται καθίζηση σεμεντίτη από τον ωστενίτη ( γ γ + Fe 3 C ). Ο σεμεντίτης αυτός ονομάζεται προευτηκτοειδής σεμεντίτης. Η πυρήνωση του σεμεντίτη πραγματοποιείται στα σύνορα των ωστενιτικών κόκκων, όπως δείχνει η απεικόνιση της δομής για το σημείο Η 2. Κατά την ψύξη από το σημείο Η 2 προς το σημείο Η 3 (θερμοκρασία Α 1 +θ), μέσα στη διφασική περιοχή γ+fe 3 C, σχηματίζεται περισσότερος σεμεντίτης αποσπώντας διαρκώς άνθρακα από τον ωστενίτη. Έτσι η περιεκτικότητα του ωστενίτη σε άνθρακα μειώνεται τείνοντας προς την ευτηκτοειδή σύσταση, ακολουθώντας την γραμμή ΓΕ του διαγράμματος φάσεων. Στη θερμοκρασία Α 1 +θ (σημείο Η 3 ) η μικροδομή αποτελείται από προευτηκτοειδή σεμεντίτη και ωστενίτη. Ο ωστενίτης έχει αποκτήσει την ευτηκτοειδή σύσταση και έτσι η ψύξη κάτω από τη θερμοκρασία Α 1 τον μετασχηματίζει σε περλίτη μέσω της ευτηκτοειδούς αντιδράσεως. Στην θερμοκρασία Α 1 -θ (σημείο Η 4 ) ο χάλυβας αυτός περιέχει προευτηκτοειδή σεμεντίτη και περλίτη. Η κατάσταση δεν αλλάζει σημαντικά κατά την περαιτέρω ψύξη του χάλυβα στη θερμοκρασία δωματίου. Ετσι οι υπερευτηκτοειδείς χάλυβες, με σύσταση μεταξύ 0.8 και 2% κ.β C, αποτελούνται από προευτηκτοειδή σεμεντίτη και περλίτη. Σημειώνουμε ότι η ανακατανομή του άνθρακα μεταξύ των διαφόρων φάσεων κατά την ψύξη του χάλυβα πραγματοποιείται με διάχυση. Τονίζουμε ιδιαίτερα το γεγονός ότι ο ρυθμός ψύξεως είναι ιδιαίτερα αργός ώστε να δοθεί ο απαραίτητος χρόνος για την διάχυση. Όλοι οι μετασχηματισμοί φάσεων, που περιγράψαμε πιο πάνω, είναι διαχυτικοί μετασχηματισμοί, που πραγματοποιούνται με πυρήνωση και ανάπτυξη, όπως έχουμε περιγράψει στο Κεφ.6. Με την αργή ψύξη (π.χ. ψύξη του χάλυβα μέσα στο φούρνο)διατηρούμε τις συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας και μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το διάγραμμα φάσεων για υπολογισμούς ισορροπίας. Εάν η ψύξη δεν είναι αργή αλλά γρήγορη, τότε περιορίζεται η διάχυση και πραγματοποιούνται άλλοι μετασχηματισμοί (π.χ. ο μπαινιτικός ή ο μαρτενσιτικός), στους οποίους θα αναφερθούμε στη συνέχεια. 8

10.2.2 Στερεά διαλύματα αντικαταστάσεως Αν και το σημαντικότερο κραματικό στοιχείο των χαλύβων είναι ο άνθρακας, τις περισσότερες φορές προστίθενται και άλλα κραματικά στοιχεία για διάφορους λόγους. Ετσι στους περισσότερους χάλυβες θα συναντήσουμε το Mn και το Si ή ακόμα το Cr, το Ni και το Mo. Ο ρόλος ενός κραματικού στοιχείου είναι σύνθετος. Επηρεάζει την στερεά διαλυτότητα των άλλων κραματικών στοιχείων, την θερμοδυναμική σταθερότητα των φάσεων, την ταχύτητα των μετασχηματισμών και εν γένει την διαμόρφωση της μικροδομής στους χάλυβες. Πολλά κραματικά στοιχεία διαλύονται στο κρυσταλλικό πλέγμα του σιδήρου σχηματίζοντας στερεά διαλύματα αντικαταστάσεως. Οι κανόνες στερεάς διαλυτότητας του Hume-Rothery πληρούνται επαρκώς για τα μεταβατικά στοιχεία (transition elements). Έτσι υπάρχει μεγάλη διαλυτότητα για τα στοιχεία που γειτονεύουν με τον σίδηρο στο περιοδικό σύστημα (Ni, Co, Mn, Cr, V), περιορισμένη διαλυτότητα με το Ti και καθόλου διαλυτότητα για τα Cα και Κ. Τα διμερή διαγράμματα φάσεων Fe-X ταξινομούνται σύμφωνα με τον Wever 1 σε τέσσερις κατηγορίες (Σχ. 10.4) ανάλογα με την επίδραση των κραματικών στοιχείων στο μέγεθος του ωστενιτικού πεδίου, το οποίο μπορεί να είναι ανοικτό (Σχ. 10.4α), εκτεταμένο (Σχ. 10.4β), κλειστό (10.4γ) και περιορισμένο (Σχ. 10.4δ). Τα κραματικά στοιχεία Ni και Mn σχηματίζουν ανοικτό ωστενιτικό πεδίο και ονομάζονται σταθεροποιητές-γ. Σε σημαντικές περιεκτικότητες στον χάλυβα τα στοιχεία αυτά επιτρέπουν τη διατήρηση της ωστενιτικής δομής ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Έτσι το νικέλιο παίζει πρωτεύοντα ρόλο στους ωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες (austenitic stainless steels). Για παράδειγμα ό χάλυβας 304 (ή 18Cr-8Ni), περιέχει 8%κβ Ni και έχει ωστενιτική δομή σε θερμοκρασία δωματίου. Ετσι ο χάλυβας αυτός, εκτός του ότι είναι ανοξείδωτος, γεγονός που το οφείλει στο χρώμιο, έχει και μεγάλη διαμορφωσιμότητα λόγω της ωστενιτικής δομής (FCC). Το Mn από την άλλη μεριά προστίθεται σε μεγάλη περιεκτικότητα στους χάλυβες Hatfield (μαγγανιούχοι χάλυβες με 12% Mn), που διατηρούν ωστενιτική δομή σε θερμοκρασία δωματίου. Κατά την χρήση ο ωστενίτης μετατρέπεται σε μαρτενσίτη και έτσι οι χάλυβες αποκτούν αντιτριβικές ιδιότητες. Τα στοιχεία παρεμβολής C και Ν, αλλά και τα στοιχεία αντικαταστάσεως Cu, Zn και Au σχηματίζουν εκτεταμένο ωστενιτικό πεδίο το μέγεθος του οποίου περιορίζεται από τον σχηματισμό ενδομεταλλικών ενώσεων. Ειδικότερα ο άνθρακας θα μπορούσε να θεωρηθεί σταθεροποιητής-γ αφού σταθεροποιεί την ωστενιτική δομή. 1 P. Wever, Archiv. Eisenhüttenwesen 2, (1928) 193 9

Τα στοιχεία Si, Al, Be και Ρ αλλά και τα καρβιδιογόνα στοιχεία V, Cr, Ti, Mo και W σταθεροποιούν την φερριτική φάση και ονομάζονται σταθεροποιητές-α. Έτσι το ωστενιτικό πεδίο "κλείνει" σχηματίζοντας τον ωστενιτικό βρόχο (Σχ. 10.4γ). Τα στοιχεία B, Tα,Nb και Zr περιορίζουν τον ωστενιτικό βρόχο σχηματίζοντας ενδομεταλλικές ενώσεις (Σχ. 10.4δ). Οι παραπάνω παρατηρήσεις που ισχύουν στα διμερή συστήματα Fe-X, ισχύουν σε γενικές γραμμές, και στα τριμερή συστήματα Fe-C-X παρουσία άνθρακα. Έτσι η προσθήκη Ni σε ένα χάλυβα επεκτείνει ωστενιτικό πεδίο ενώ αντίθετα η προσθήκη Si το περιορίζει, επεκτείνοντας ταυτόχρονα το φερριτικό πεδίο. Όπως είπαμε πιο πάνω, ο ωστενίτης κατά την ψύξη του (σε συνθήκες ισορροπίας) μετασχηματίζεται σε φερρίτη και σεμεντίτη. Κατά τον μετασχηματισμό αυτό τα κραματικά στοιχεία ανακατανέμονται μεταξύ των φάσεων με διάχυση. Ετσι τα κραματικά στοιχεία διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: (α) αυτά που διαλύονται μόνον στον φερρίτη, (β) αυτά που διαλύονται στον σεμεντίτη ή σχηματίζουν καρβίδια αλλά επίσης διαλύονται στον φερρίτη και (γ) αυτά που διαλύονται μόνον στον σεμεντίτη. Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα Ni, Cu, P και Si τα οποία διαλύονται στον φερρίτη. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα καρβιδιογόνα στοιχεία Mn, Cr, Mo, V, Ti,W και Nb. Σε μικρές περιεκτικότητες τα στοιχεία αυτά διαλύονται στον σεμεντίτη (Μ 3 C) αλλά και στον φερρίτη. Σε μεγαλύτερες περιεκτικότητες σχηματίζουν σύνθετα καρβίδια (M 2 C, M 23 C 6, M 7 C 3, M 6 C) τα οποία είναι θερμοδυναμικά σταθερότερα από τον σεμεντίτη. Από τα στοιχεία αυτά μόνο το Mn δεν σχηματίζει καρβίδιο. Εάν υπάρχει επί πλέον ποσότητα κραματικών στοιχείων από αυτή που χρειάζεται για το σχηματισμό καρβιδίων, τότε η περίσσεια διαλύεται στον φερρίτη μαζί με τα Si και Ni. Στην τρίτη κατηγορία ανήκει το άζωτο το οποίο σχηματίζει καρβονιτρίδια τόσο με τον σίδηρο όσο και με άλλα κραματικά στοιχεία. Ο Πιν. 10.3 συγκεντρώνει τις παραπάνω πληροφορίες που αφορούν την επίδραση των κραματικών στοιχείων στην έκταση του ωστενιτικού πεδίου, τον διαφορισμό τους στο φερρίτη ή στο καρβίδιο κατά τον μετασχηματισμό του ωστενίτη, τον σχηματισμό καρβιδίων και νιτριδίων στους χάλυβες και την συμμετοχή τους σε σύνθετα καρβίδια. 10

Πιν. 10.3 Ωστενιτικό πεδίο Επίδραση κραματικών στοιχείων στο ωστενιτικό πεδίο και στο σχηματισμό καρβιδίων και νιτριδίων Διαφορισμός κατά την γ α + Fe 3 C Σχηματισμός Καρβιδίων Σχηματισμός Νιτριδίων Μικτά Καρβίδια Ni Ανοικτό, σταθεροποιητής-γ Φερρίτης - - - Mn Ανοικτό, σταθεροποιητής-γ Φερ./Σεμ. - M 3 C, M 23 C 6 Si Κλειστό,σταθεροποιητής-α Φερρίτης - Al Κλειστό, σταθεροποιητής-α - Be Κλειστό, σταθεροποιητής-α - P Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερρίτης - V Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερ./Σεμ./Καρβ. VC x VN M 23 C 6 Cr Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερ./Σεμ./Καρβ. Cr 23 C 6 Cr 7 C 3 Cr 2 N M 6 C,M 3 C, M 23 C 6, M 2 C Ti Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερ./Σεμ./Καρβ. TiC TiN Mo Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερ./Σεμ./Καρβ. Mo 2 C W Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερ./Σεμ./Καρβ. W 2 C/WC M 6 C,M 3 C, M 23 C 6, M 2 C B Περιορισμένο - - M 6 C,M 3 C, Tα Περιορισμένο Σεμ./Καρβ. TαC/Tα 2 C TαN Nb Περιορισμένο Φερ./Σεμ./Καρβ. NbC/Nb 2 C NbN M 23 C 6 Zr Περιορισμένο ZrC ZrN M 23 C 6 Cu Εκτεταμένο Φερρίτης - Zn Εκτεταμένο - - Au Εκτεταμένο - - C Εκτεταμένο Φερ./Σεμ./Καρβ. - N Εκτεταμένο Καρβονιτρίδια - 11

Όπως είπαμε και πιο πάνω, τα κραματικά στοιχεία διαμορφώνουν, μαζί με τις θερμικές και μηχανικές κατεργασίες, την μικροδομή και τις ιδιότητες του χάλυβα. Πιο κάτω αναφέρονται συνοπτικά οι κυριότερες επιδράσεις των κραματικών στοιχείων. Πρέπει να σημειωθεί ότι σε πολλές περιπτώσεις η επιδραση ενός κραματικού στοιχείου τροποποιείται από την παρουσία κάποιου άλλου κραματικού στοιχείου. Η αλληλεπίδραση των κραματικών στοιχείων και η συνεργιστική τους δράση είναι ένα σύνθετο θέμα καθώς επηρεάζει τόσο την θερμοδυναμική όσο και την κινητική των μετασχηματισμών των φάσεων στους χάλυβες. Για τον λόγο αυτό πρέπει να επισημάνουμε ότι η μεμονωμένη περιγραφή για κάθε κραματικό στοιχείο υπόκειται στους πιο πάνω περιορισμούς. Ανθρακας(C): Αποτελεί το σημαντικότερο στοιχείο στους χάλυβες συμβάλλοντας σημαντικά στην ισχυροποίησή τους. Με την αύξηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα αυξάνονται η σκληρότητα, η αντοχή και η εμβαπτότητα, ενώ ταυτόχρονα μειώνονται η ολκιμότητα, η δυσθραυστότητα και η συγκολλησιμότητα. Μαγγάνιο(Mn): Συναντάται σε όλους τους χάλυβες σε περιεκτικότητες πάνω από 0.2% και προστίθεται κυρίως για αποθείωση αφού σχηματίζει τα σουλφίδια MnS. Ο σχηματισμός των σουλφιδίων ευνοεί την κατεργασιμότητα και την συγκολλησιμότητα του χάλυβα. Η προσθήκη Mn οδηγεί επίσης σε σημαντική αύξηση της εμβαπτότητας του χάλυβα. Πυρίτιο (Si): Είναι ένα από τα δύο συστατικά που προστίθενται για την αποξείδωση του χάλυβα (το άλλο είναι το αλουμίνιο). Στους πλήρως καθησυχασμένους χάλυβες (killed steels) το Si ανέρχεται έως το 0.6%, ενώ στους ημικαθησυχασμένους (semi-killed steels) η περιεκτικότητα είναι μικρότερη. Υψηλές περιεκτικότητες σε Si οδηγούν σε μείωση της κατεργασιμότητας του χάλυβα. Φώσφορος (P): Η παρουσία του πάνω από κάποιο όριο οδηγεί σε μείωση της ολκιμότητας και δυσθραυστότητας, ιδιαίτερα της αντοχής σε κρούση, κυρίως σε χάλυβες βαφής και επαναφοράς. Μπορεί όμως να έχει και ευεργετικά αποτελέσματα, όπως στους χάλυβες μηχανουργικής κατεργασίας (π.χ. free-machining steels), όπου κατά την τόρνευση ή το φραιζάρισμα διευκολύνεται ο διαμερισμός του αποβλίττου με συνέπεια την βελτίωση της κατεργασιμότητας. 12

Θείο (S): Προκαλεί σημαντική μείωση της ολκιμότητας, της δυσθραυστότητας, της αντοχής σε κρούση και της συγκολλησιμότητας. Επίσης υποβαθμίζει την κατεργασιμότητα (κυρίως στην θερμηλασία) ενώ η παρουσία του αυξάνει την τάση ρωγμάτωσης κατά την βαφή των χαλύβων (quench cracking). Γενικά στους χάλυβες η τάση είναι η περιεκτικότητα σε θείο να παραμένει κάτω από 0.05% (βλ. πιο πάνω για το Mn). Χρώμιο (Cr): Πρόκειται για ισχυρά καρβιδιογόνο στοιχείο. Τα καρβίδια του χρωμίου αυξάνουν την σκληρότητα και τις αντιτριβικές ιδιότητες του χάλυβα. Για τον λόγο αυτό το συναντάμε στους εργαλειοχάλυβες. Το χρώμιο αυξάνει επίσης την εμβαπτότητα καθώς και την αντοχή σε οξείδωση και διάβρωση. Σε συνδυασμό με το νικέλιο αποτελεί το σημαντικότερο κραματικό στοιχείο των ανοξείδωτων και των πυρίμαχων χαλύβων. Νικέλιο (Ni): Προσδίδει ολκιμότητα και αυξάνει την δυσθραυστότητα των χαλύβων ενώ προκαλεί μείωση της θερμοκρασίας μεταβάσεως από την όλκιμη στην ψαθυρή συμπεριφορά θραύσεως (κρυογονικοί χάλυβες). Σε περιεκτικότητες πάνω από 7% σταθεροποιεί την ωστενιτική δομή σε θερμοκρασία δωματίου αποτελώντας ένα σημαντικό στοιχείο των ανοξείδωτων χαλύβων (π.χ. ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες). Μολυβδαίνιο (Mo): Πρόκειται για ισχυρά καρβιδιογόνο στοιχείο που αυξάνει ταυτόχρονα και την εμβαπτότητα των χαλύβων. Τα καρβίδια του μολυβδαινίου σχηματίζονται κατά την επαναφορά μετά τη βαφή και προκαλούν την δευτερογενή σκλήρυνση του χάλυβα. Η προσθήκη Mo στους ανοξείδωτους χάλυβες οδηγεί σε περαιτέρω αύξηση της αντοχής στην διάβρωση (π.χ. χάλυβας 316 έναντι του χάλυβα 304). W, V, Ti, Nb: Πρόκειται για καρβιδιογόνα στοιχεία, τα οποία συντελούν στην αύξηση της σκληρότητας και της αντοχής με τον σχηματισμό καρβιδίων ενώ ταυτόχρονα περιορίζουν την ανάπτυξη των κόκκων σε υψηλές θερμοκρασίες. Για τους λόγους αυτούς τα συναντάμε στους εργαλειοχάλυβες για την κατασκευή κοπτικών και διαμορφωτικών εργαλείων. Τα V, Nb και Ti αποτελούν κύρια συστατικά των χαμηλά κραματωμένων χαλύβων υψηλής αντοχής (HSLA steels). Αζωτο (Ν): Το άζωτο είναι μαζί με τον άνθρακα τα κραματικά στοιχεία παρεμβολής στους χάλυβες. Το άζωτο αυξάνει την σκληρότητα και την αντοχή ενώ παράλληλα μειώνει την ολκιμότητα. Χρησιμοποιείται στους χάλυβες εναζωτώσεως για την αύξηση της επιφανειακής 13

σκληρότητας. Στους πήρως καθησυχασμένους χάλυβες (αποξείδωση με Al) σχηματίζει διασπορά νιτριδίων AlN, τα οποία παρεμποδίζουν την ανάπτυξη των κόκκων. Κοβάλτιο (Co): Το κοβάλτιο είναι το μοναδικό στοιχείο που μειώνει την εμβαπτότητα των χαλύβων, δεν σχηματίζει καρβίδια και έχει εν γένει μικρή επίδραση στην σκληρότητα του χάλυβα. Η κύρια δράση του είναι να παρεμποδίσει την αποκατάσταση των αταξιών και την ανάπτυξη των κόκκων κατά την ανόπτηση ή την επαναφορά του χάλυβα. Ετσι συμβάλει στην διατήρηση της μηχανικής αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και χρησιμοποιείται σε ταχυχάλυβες, διαμορφωτικά εργαλεία καθώς και σε πυρίμαχους χάλυβες. 10.3 Μετασχηματισμοί φάσεων και διαμόρφωση μικροδομής στους χάλυβες 10.3.1 Ισόθερμοι μετασχηματισμοί και μετασχηματισμοί συνεχούς ψύξεως Όπως σε όλα τα μεταλλικά κράματα, έτσι και στους χάλυβες, οι μηχανικές τους ιδιότητες εξαρτώνται από την μικροδομή τους. Στο παρόν κεφάλαιο, με τον όρο "μικροδομή" εννοούμε κυρίως τις διαφορετικές φάσεις από τις οποίες αποτελείται ο χάλυβας. Η διαμόρφωση της μικροδομής πραγματοποιείται μέσω μετασχηματισμών των φάσεων, που λαμβάνουν χώρα κατά τις θερμικές κατεργασίες των χαλύβων. Ας θεωρήσουμε, στο Σχ.10.5, ότι έχουμε τέσσερα δοκίμια ευτηκτοειδούς χάλυβα με περιεκτικότητα 0.8%κ.β C, τα οποία θερμαίνουμε στους 800 ο C, για να αποκτήσουν ωστενιτική δομή. Στη συνέχεια τα ψύχουμε με διαφορετικό τρόπο. Το πρώτο δοκίμιο το ψύχουμε μέσα στο φούρνο, το δεύτερο το αφήνουμε να ψυχθεί πάνω στο τραπέζι, το τρίτο δοκίμιο το βουτάμε σε λάδι και το τέταρτο δοκίμιο το βουτάμε σε νερό. Είναι προφανές ότι από το πρώτο στο τέταρτο δοκίμιο αυξάνεται η ταχύτητα ψύξεως. Αυτό οδηγεί στο σχηματισμό διαφορετικών μικροδομών και επομένως διαφορετικών ιδιοτήτων. Στο πρώτο δοκίμιο σχηματίζεται χονδρόκοκκος περλίτης με σκληρότητα 15RC (μονάδες Rockwell στην κλίμακα C). Στο δεύτερο δοκίμιο σχηματίζεται λεπτόκοκκος περλίτης με σκληρότητα 25 RC. Στο τρίτο δοκίμιο σχηματίζεται μίγμα περλίτη και μαρτενσίτη με σκληρότητα 35 RC. Τέλος, στο τέταρτο δοκίμιο σχηματίζεται μόνον μαρτενσίτης με σκληρότητα 60 RC. Για να κατανοήσουμε με ποιο τρόπο μπορούμε με μία θερμική κατεργασία, όπως αυτή που περιγράψαμε πιο πάνω, να μεταβάλλουμε την μικροδομή και κατά συνέπεια τις ιδιότητες ενός χάλυβα, πρέπει να μελετήσουμε τους μετασχηματισμούς που διαμορφώνουν την μικροδομή. Τις περισσότερες φορές η μικροδομή διαμορφώνεται κατά την ψύξη του χάλυβα από την ωστενιτική περιοχή. Για τον λόγο αυτό θα μας απασχολήσουν οι μετασχηματισμοί του ωστενίτη σε άλλες φάσεις. Στο Σχ.10.6 φαίνεται ένα απλοποιημένο διάγραμμα των 14

σημαντικότερων μετασχηματισμών του ωστενίτη σε ένα ευτηκτοειδή χάλυβα. Οι μετασχηματισμοί αυτοί μπορεί να είναι είτε ισόθερμοι (Isothermal Transformations-ΙΤ) είτε συνεχούς ψύξεως (Continuous Cooling Transformations-CCT). Στους ισόθερμους μετασχηματισμούς, ο χάλυβας φέρεται σε μία χαμηλότερη θερμοκρασία και ο ωστενίτης (γ) μετασχηματίζεται ισόθερμα σε φερρίτη (α), περλίτη (P) ή μπαινίτη (B). Το ποια φάση θα σχηματιστεί εξαρτάται από την θερμοκρασία του μετασχηματισμού. Όσον αφορά τον μαρτενσίτη (M), αυτός μπορεί να σχηματιστεί μόνο με συνεχή ψύξη του ωστενίτη και αφού ισχύουν και άλλες προϋποθέσεις, που θα δούμε στη συνέχεια. Στους μετασχηματισμούς συνεχούς ψύξεως οι αντίστοιχοι μετασχηματισμοί του ωστενίτη πραγματοποιούνται κατά τη διάρκεια της ψύξεως του χάλυβα και ενώ η θερμοκρασία μειώνεται διαρκώς με συγκεκριμένο ρυθμό. Το ποια φάση θα σχηματιστεί, εξαρτάται από την ταχύτητα ψύξεως του χάλυβα. Το διάγραμμα του Σχ.10.6 είναι, όπως είπαμε, ένα απλοποιημένο διάγραμμα. Η ακριβής απεικόνιση των μετασχηματισμών πραγματοποιείται με τα διαγράμματα ισόθερμων μετασχηματισμών (διαγράμματα ΙΤ) και τα διαγράμματα μετασχηματισμών συνεχούς ψύξεως (διαγράμματα CCT). Τα διαγράμματα αυτά, τα οποία βρίσκουν ευρεία εφαρμογή στις θερμικές κατεργασίες των χαλύβων, θα τα μελετήσουμε πιο κάτω αφού πρώτα δούμε τα βασικά χαρακτηριστικά του σχηματισμού των διαφορετικών φάσεων (φερρίτη, περλίτη, μπαινίτη και μαρτενσίτη) κατά την ψύξη του ωστενίτη. 10.3.2 Ο μετασχηματισμός ωστενίτη φερρίτη (γ α ) Όπως είδαμε στην παράγραφο 10.2.1, κατά την αργή ψύξη ενός υποευτηκτοειδούς χάλυβα (%C<0.8) ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε φερρίτη (προευτηκτοειδή) μεταξύ των θερμοκρασιών Α 3 και Α 1. Το ίδιο συμβαίνει και όταν ο χάλυβας αυτός ψυχθεί απότομα από την ωστενιτική περιοχή σε μια θερμοκρασία κάτω από την Α 1 μέχρι τους 600 C και παραμείνει στη θερμοκρασία αυτή για τον ισόθερμο μετασχηματισμό γ α. Ο μετασχηματισμός είναι διαχυτικός και συμβαίνει με πυρήνωση και ανάπτυξη της φερριτικής φάσεως. Η πυρήνωση του φερρίτη είναι ετερογενής με σημαντικότερες θέσεις πυρηνώσεως τα σύνορα κόκκων του ωστενίτη ή άλλα δομικά σφάλματα της ωστενιτικής φάσεως. Η μορφολογία του φερρίτη που σχηματίζεται εξαρτάται από τη θερμοκρασία μετασχηματισμού. Έτσι, με τη μείωση της θερμοκρασίας μετασχηματισμού γ α οι μορφολογίες του φερρίτη ταξινομούνται κατά Dube ως εξής: (α) περικρυσταλλικός φερρίτης (β) φερρίτης Widmanstätten 15

(γ) διακρυσταλλικός φερρίτης Ο περικρυσταλλικός φερρίτης αποτελείται από κρυστάλλους φερρίτη που σχηματίζονται σε υψηλές θερμοκρασίες μετασχηματισμού (800 C) με πυρήνωση στα ωστενιτικά όρια κόκκων (Σχ. 10.7α). Ο φερρίτης αυτός αναπτύσσεται τόσο κατά μήκος των συνόρων όσο και προς το εσωτερικό των κόκκων διαμορφώνοντας μια δομή που αποκαλείται ισοαξονικός φερρίτης (equiaxed ferrite). Η πυρήνωση του φερρίτη υπακούει σε μία σχέση προσανατολισμού μεταξύ μητρικής (γ) και θυγατρικής φάσεως (α), η οποία ονομάζεται σχέση προσανατολισμού Kurdjumov-Sachs: { } { } 111 // 110, < 1 10 > γ // < 111 > (10.3) γ α α Σύμφωνα με τη σχέση αυτή, κατά τον σχηματισμό του φερρίτη, τα επίπεδα {110} του φερρίτη είναι παράλληλα προς τα επίπεδα {111} του ωστενίτη, ενώ οι διευθύνσεις < 111 >του φερρίτη είναι παράλληλες προς τις διευθύνσεις < 1 10 > του ωστενίτη. Έτσι υπάρχει μία στενή κρυσταλλογραφική σχέση μεταξύ των δύο φάσεων. Παρατηρούμε επίσης ότι τα παραπάνω επίπεδα και διευθύνσεις αντιστοιχούν στα πυκνά επίπεδα και τις πυκνές διευθύνσεις τόσο του φερρίτη όσο και του ωστενίτη. Τα διαφασικά όρια φερρίτη/ωστενίτη είναι όρια μη συνοχής με μεγάλη κινητικότητα στις υψηλές θερμοκρασίες μετασχηματισμού. Ο φερρίτης Widmanstätten σχηματίζεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες μετασχηματισμού με τη μορφή πλακιδίων. Τα πλακίδια αυτά σχηματίζονται με πυρήνωση στα ωστενιτικά σύνορα κόκκων ή πάνω σε προϋπάρχοντα περικρυσταλλικό φερρίτη και αναπτύσσονται κατά μήκος συγκεκριμένων επιπέδων της μητρικής φάσεως (Σχ. 10.7β). Κατά την ανάπτυξή του, ο φερρίτης Widmanstätten διατηρεί τη σχέση προσανατολισμ ού Kurdjumov-Sachs με τον ωστενίτη. Τα διαφασικά όρια μεταξύ φερρίτη Widmanst ätten και ωστενίτη είναι συνοχής ή ημισυνοχής. Ο διακρυσταλλικός φερρίτης αποτελείται από ισοαξονικούς κρυστάλλους φερρίτη που σχηματίζονται στο εσωτερικό των ωστενιτικών κόκκων σε χαμηλότερες θερμοκρασίες μετασχηματισμού από εκείνες του φερρίτη Widmanst ätten. Η πυρήνωση του φερρίτη στο εσωτερικό των κόκκων οφείλεται στην αυξημένη θερμοδυναμική κινούσα δύναμη, που ενεργοποιεί θέσεις ετερογενούς πυρηνώσεως με χαμηλότερη δυναμικότητα σε σχέση με εκείνες των συνόρων των κόκκων. Στα κράματα Fe-C-X (όπου X κραματικό στοιχείο αντικαταστάσεως) ο μετασχηματισμός γ α παρουσιάζει τα ίδια μορφολογικά χαρακτηριστικά όπως στους απλούς ανθρακοχάλυβες. Η κινητική όμως του μετασχηματισμού μεταβάλλεται λόγω της παρουσίας των κραματικών στοιχείων. Εδώ διακρίνουμε δύο περιπτώσεις αναπτύξεως του φερρίτη ανάλογα με το αν υπάρχει ή όχι διαχωρισμός των κραματικών στοιχείων μεταξύ των 16

φάσεων α και γ. Στην πρώτη περίπτωση η ταχύτητα αναπτύξεως του φερρίτη είναι πολύ αργή και καθορίζεται από τη διάχυση των κραματικών στοιχείων στον ωστενίτη (π.χ. Mn, Νi). Στη δεύτερη περίπτωση η ταχύτητα αναπτύξεως του φερρίτη είναι μεγαλύτερη αφού δεν υπάρχει διάχυση των κραματικών στοιχείων (π.χ. Si, Mo, Al, Cr) στον ωστενίτη. Στην περίπτωση αυτή, η ταχύτητα αναπτύξεως καθορίζεται μόνο από τη διάχυση του άνθρακα που είναι ταχύτερη από αυτήν των στοιχείων αντικαταστάσεως. Στη γενική περίπτωση όμως η ανάπτυξη του φερρίτη στα κράματα Fe-C-X είναι αργότερη από την αντίστοιχη ανάπτυξη στους ανθρακοχάλυβες Fe-C. 10.3.3 Ο μετασχηματισμός ωστενίτη περλίτη ( γ P ) Με την ψύξη του ωστενίτη κάτω από την ευτηκτοειδή θερμοκρασία (Α 1 ) λαμβάνει χώρα ο περλιτικός μετασχηματισμός δηλαδή ο σχηματισμός περλίτη σύμφωνα με την ευτηκτοειδή αντίδραση: γ α + Fe 3 C. Μορφολογικά ο περλίτης εμφανίζει λαμελοειδή δομή που σχηματίζεται με επαλληλία πλακιδίων ή λαμελών φερρίτη και σεμεντίτη, όπου όμως η συνεχής φάση είναι ο φερρίτης (Σχ. 10.8). Έτσι η περλιτική δομή είναι περιοδική και χαρακτηρίζεται από το μήκος κύματος λ p (ενδολαμελική απόσταση). Η λεπτότητα της περλιτικής δομής, επίσης χαρακτηρίζεται από το λ p. Όσο πιο μικρό το λ p, τόσο πιο λεπτόκοκκος είναι ο περλίτης και τόσο μεγαλύτερη η σκληρότητά του, λόγω των πολλών διαφασικών συνόρων που παρεμποδίζουν την ολίσθηση των γραμμοαταξιών. Η ενδολαμελική απόσταση (λεπτότητα) της περλιτικής μικροδομής εξαρτάται από την υπέρψυξη ΔΤ, κάτω από την θερμοκρασία Τ e =Α 1. Η εξάρτηση αυτή μπορεί να υπολογιστεί από την απλουστευμένη θεώρηση ότι η κινούσα δύναμη ΔG για τον περλιτικό μετασχηματισμό, πρέπει να είναι τουλάχιστον ίση με ενέργειας, που οφείλεται στον σχηματισμό των νέων διεπιφανειών αγνοήσουμε την επίδραση της ενέργειας παραμορφώσεως τότε την αύξηση της διεπιφανειακής α Fe 3 C. Αν επί πλέον H T 2γ G = = (10.4) T λ e p όπου η πρώτη ισότητα είναι μια απλουστευμένη έκφραση της κινούσας δυνάμεως (όπως π.χ. η σχέση 4.6) και 2γ λ είναι η διεπιφανειακή ενέργεια ανά μήκος κύματος λ p. Από την p (10.4) προκύπτει ότι 2γ Te 1 λ p = H T (10.5) 17

Η σχέση (10.5) ορίζει πως η ενδολαμελική απόσταση (λεπτότητα μικροδομής) είναι αντιστρόφως ανάλογη της υπερψύξεως ΔΤ. Όταν ο μετασχηματισμός γ P πραγματοποιείται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, ο περλίτης που σχηματίζεται είναι λεπτόκοκκος (έχει μικρό λ p ) και επομένως παρουσιάζει μεγαλύτερη σκληρότητα. Για παράδειγμα, όταν ο περλίτης σχηματίζεται λίγο κάτω από την ευτηκτοειδή θερμοκρασία, π.χ. στους 700 ο C, έχει λ p 10-3 mm. Αυτό του προσδίδει μία σκληρότητα περίπου 20 RC. Όταν ο περλίτης σχηματίζεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία,π.χ. 600 ο C, έχει λ p 10-4 mm και σκληρότητα 30 RC. Πρέπει βέβαια να σημειώσουμε ότι η δυνατότητα να επιτευχθεί πολύ υψηλός βαθμός λεπτότητας (πολύ μικρό λ p ) περιορίζεται από την διαθέσιμη ελεύθερη ενέργεια (ή ενθαλπία) για τον περλιτικό μετασχηματισμό. Ο περλιτικός μετασχηματισμός είναι ένας διαχυτικός μετασχηματισμός, που πραγματοποιείται με πυρήνωση και ανάπτυξη. Τα βασικά χαρακτηριστικά αυτών των μετασχηματισμών τα συζητήσαμε στο Κεφ.6. Η πυρήνωση του περλίτη είναι ετερογενής και πραγματοποιείται στα σύνορα των ωστενιτικών κόκκων. Κατά την ανάπτυξη του περλίτη αυξάνεται ο αριθμός των λαμελών. Η αύξηση αυτή πραγματοποιείται είτε με πλευρική πυρήνωση νέων λαμελών είτε με διακλάδωση αυτών που έχουν ήδη σχηματιστεί. Η κινητική του περλιτικού μετασχηματισμού είναι δυνατόν να περιγραφεί με τις μεθόδους που αναπτύξαμε στο Κεφ.6, παρ. 6.2.3. Η συνολική κινητική περιγράφεται από την εξίσωση Johnson-Mehl-Avrami εάν ορίσουμε το ρυθμό πυρηνώσεως του περλίτη. Στην περίπτωση του περλιτικού μετασχηματισμού ο ρυθμός πυρηνώσεως δεν είναι σταθερός διότι οι θέσεις πυρηνώσεως (γωνίες κόκκων, όρια κόκκων) αναλώνονται γρήγορα από την έναρξη του μετασχηματισμού. Στην περίπτωση αυτή το ποσοστό του περλίτη f p (t) που σχηματίζεται σε χρόνο t δίδεται από τη σχέση (6.66): όπου f p 4 0 3 3 = 1 exp π Nut v 3 (10.6) 0 N v είναι ο αρχικός αριθμός των θέσεων πυρηνώσεως ανά μονάδα όγκου, u η ταχύτητα αναπτύξεως και t ο χρόνος. Η σχέση (10.6) δίδει τη γνωστή σιγμοειδή καμπύλη του μετασχηματισμού από f p =0 έως f p =1 για ισόθερμο μετασχηματισμό (Σχ.10.9). Όσον αφορά την επίδραση της θερμοκρασίας, η κινητική του περλιτικού μετασχηματισμού μπορεί να χαρακτηριστεί ως κινητική τύπου C (βλ. παρ. 6.2.3) από τη μορφή της καμπύλης (T,t), που ορίζει την έναρξη και την λήξη (και επομένως την ταχύτητα) του μετασχηματισμού σε συνάρτηση με την θερμοκρασία. Για μικρή υπέρψυξη, έχουμε μεν γρήγορη διάχυση αλλά μικρή κινούσα δύναμη για τον μετασχηματισμό γ P. Για μεγάλη υπέρψυξη, έχουμε μεν 18

μεγάλη κινούσα δύναμη αλλά αργή διάχυση, λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας. Ετσι η μέγιστη ταχύτητα του μετασχηματισμού γ P εμφανίζεται σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες, οδηγώντας στη μορφή της καμπύλης C του Σχ.10.9 Το διάγραμμα αυτό αποτελεί τη βάση των διαγραμμάτων ισόθερμων μετασχηματισμών ΙΤ, που θα δούμε πιο κάτω. Η ανάπτυξη του περλίτη γίνεται υπό διαχυτικό έλεγχο ενώ το ρυθμιστικό βήμα της διεργασίας είναι η διάχυση του άνθρακα στον ωστενίτη. Ετσι στους απλούς ανθρακοχάλυβες ο περλίτης σχηματίζεται σχετικά γρήγορα. Η προσθήκη κραματικών στοιχείων επιβραδύνει τον μετασχηματισμό γ P για δύο κυρίως λόγους: (α) στοιχεία που συγκεντρώνονται στα σύνορα των ωστενιτικών κόκκων (π.χ. το Β) επιβραδύνουν την πυρήνωση του περλίτη και (β) στοιχεία που διαχωρίζονται στον φερρίτη και σεμεντίτη πρέπει να διαχυθούν κατά το μετασχηματισμό (π.χ Mn, Cr). Η διάχυση των στοιχείων αντικαταστάσεως είναι πολύ πιο αργή από τη διάχυση του άνθρακα και έτσι ο σχηματισμός περλίτη επιβραδύνεται. Το ρυθμιστικό βήμα στην περίπτωση αυτή είναι η διάχυση των στοιχείων αντικαταστάσεως. Θα δούμε πιο κάτω ότι ένας από τους ρόλους των κραματικών στοιχείων στους χάλυβες είναι να καθυστερήσουν τον περλιτικό μετασχηματισμό, ούτως ώστε να λάβει χώρα ένας άλλος μετασχηματισμός, που οδηγεί σε πολύ μεγαλύτερη ισχυροποίηση των χαλύβων, ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός. Όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες του περλίτη μπορούμε να πούμε ότι η μηχανική του αντοχή αυξάνεται με τη μείωση της ενδολαμελικής αποστάσεως λ p της περλιτικής δομής. Η αύξηση του ποσοστού του περλίτη στους χάλυβες οδηγεί σε αύξηση τόσο του ορίου διαρροής (σ y ) όσο και της μέγιστης αντοχής εφελκυσμού (σ UTS ). Η τελευταία επηρεάζεται περισσότερο από τον περλίτη λόγω της μεγαλύτερης δυνατότητας για εργοσκλήρυνση της περλιτικής δομής έναντι της φερριτικής. Όμως η παρουσία του περλίτη οδηγεί σε μείωση της ολκιμότητας και της δυσθραυστότητας αφού οι διεπιφάνειες α Fe 3 C λειτουργούν ως θέσεις για πυρήνωση ρωγμών ενώ παράλληλα η αυξημένη εργοσκλήρυνση περιορίζει την πλαστική παραμόρφωση στην αιχμή των ρωγμών. Έτσι στους απλούς ανθρακοχάλυβες, η αύξηση του άνθρακα (αύξηση του ποσοστού του περλίτη) οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας μεταβάσεως από την όλκιμη στην ψαθυρή θραύση (Σχ. 10.10). 10.3.4 Ο μετασχηματισμός ωστενίτη μαρτενσίτη (γ Μ) 19

Όπως είδαμε και πιο πάνω, στο παράδειγμα του Σχ.10.5, η μέγιστη αύξηση της σκληρότητας επιτεύχθηκε με την απότομη ψύξη του χάλυβα σε νερό. Η σημαντική αυτή σκλήρυνση οφείλεται στον σχηματισμό μαρτενσίτη. Πράγματι, ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι ίσως ο σημαντικότερος μετασχηματισμός στους χάλυβες, με μεγάλες τεχνολογικές εφαρμογές. Τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά του μετασχηματισμού τα συζητήσαμε με λεπτομέρεια στο κεφ. 6.4. Εδώ θα εστιάσουμε στα κύρια σημεία και θα συζητήσουμε τις ιδιότητες του μαρτενσίτη και κυρίως τους λόγους για τους οποίους ο μαρτενσίτης έχει τόσο μεγάλη σκληρότητα. Γενικά χαρακτηριστικά. Σύμφωνα με τα όσα συζητήσαμε στο κεφ. 6.4 τα βασικά χαρακτηριστικά του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού είναι τα εξής: Ο μετασχηματισμός αυτός είναι μετατοπιστικός, δηλαδή πραγματοποιείται με συνεργατική μετατόπιση των όλων των ατόμων του πλέγματος, έτσι ώστε να διατηρείται πλήρης αντιστοιχία μεταξύ αρχικών και τελικών πλεγματικών θέσεων. Ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι μη-διαχυτικός, αφού δεν προϋποθέτει διάχυση για την πραγματοποίησή του. Στην ουσία ο μαρτενσίτης σχηματίζεται με διάτμηση της μητρικής φάσεως (ωστενίτη). Η κινητική του μετασχηματισμού και μορφολογία του μαρτενσίτη καθορίζονται από την ενέργεια παραμορφώσεως, η οποία, όπως είπαμε, χαρακτηρίζεται από μία ισχυρή διατμητική συνιστώσα. Ο μετασχηματισμός πραγματοποιείται κατά την απότομη ψύξη του ωστενίτη. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται βαφή των χαλύβων (quenching). Η ταχύτητα της βαφής πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη (πάνω από μια κρίσιμη τιμή) ώστε να μην προλάβουν να ενεργοποιηθούν άλλοι διαχυτικοί μετασχηματισμοί (π.χ. σχηματισμός φερρίτη, περλίτη ή μπαινίτη). Η κρίσιμη ταχύτητα ψύξεως εξαρτάται από την περιεκτικότητα του χάλυβα σε κραματικά στοιχεία και από το μέγεθος του ωστενιτικού κόκκου και χαρακτηρίζει την εμβαπτότητα του χάλυβα, μία ιδιότητα που θα συζητήσουμε πιο κάτω. Ο μετασχηματισμός είναι γενικά αθερμικός, το ποσοστό του μαρτενσίτη δεν αυξάνεται με το χρόνο, αλλά αυξάνεται με την πτώση της θερμοκρασίας κατά την ψύξη σε μία συγκεκριμένη θερμοκρασιακή περιοχή που καθορίζεται από τις θερμοκρασίες M s και M f, που αντιστοιχούν στην έναρξη και την λήξη του μετασχηματισμού (Σχ. 10.11). Η πυρήνωση του μαρτενσίτη είναι ετερογενής και πραγματοποιείται σε δομικά σφάλματα (π.χ. συστοιχίες αταξιών) του ωστενίτη. Για να ξεκινήσει ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός, η θερμοκρασία πρέπει να πέσει κάτω από μία κρίσιμη τιμή, την M s, όπου η κινούσα δύναμη για τον μετασχηματισμό αποκτά την απαιτούμενη τιμή για την υπέρβαση του ενεργειακού φράγματος για την πυρήνωση. 20

Η θερμοκρασία M s έχει μία ισχυρή εξάρτηση από τη χημική σύσταση του χάλυβα. Τα στοιχεία που είναι σταθεροποιητές-γ, όπως τα C, N, Ni, Mn, μειώνουν την θερμοκρασία M s, αφού απαιτείται μεγαλύτερη χημική κινούσα δύναμη για την πυρήνωση του μαρτενσίτη. Όμως και τα στοιχεία Cr, Mo, Al, Si, W, V που δεν είναι σταθεροποιητές -γ προκαλούν μείωση στη θερμοκρασία M s. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι προκαλούν ισχυροποίηση στερεού διαλύματος στον ωστενίτη με αποτέλεσμα να παρεμποδίζεται η ολίσθηση των αταξιών που απαιτείται για τον σχηματισμό του μαρτενσιτικού πυρήνα. Έτσι για την υπέρβαση αυτής της αντιστάσεως απαιτείται μεγαλύτερη χημική κινούσα δύναμη και επομένως η M s μειώνεται. Την μεγαλύτερη επίδραση στη θερμοκρασία M s την έχει ο άνθρακας. Η σχετική επίδραση των κραματικών στοιχείων στη θερμοκρασία M s δίδεται από διάφορες εμπειρικές σχέσεις, με γνωστότερη την σχέση του Andrews : Μ s ( C) = 539-463C-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo (10.7) όπου στα χημικά σύμβολά αντιστοιχούν οι % κ.β. περιεκτικότητες των στοιχείων στον χάλυβα. Η θερμοκρασία M s κυμαίνεται από πολύ υψηλές (π.χ. 500 C) έως πολύ χαμηλές τιμές, ακόμα και κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου. Η θερμοκρασία M f αντιστοιχεί στη θερμοκρασία όπου σταματά ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός και δεν συμπίπτει πάντα με την ολοκλήρωση του μετασχηματισμού. Πολύ συχνά ένα ποσοστό του ωστενίτη δεν μετασχηματίζεται και ονομάζεται παραμένων ωστενίτης (retained austenite). Μία εξήγηση για την παρουσία παραμένοντα ωστενίτη σε χάλυβες με M f μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία δωματίου αποτελεί η εργοσκλήρυνση του ωστενίτη λόγω της παραμορφώσεως, που υφίσταται κατά τον μετασχηματισμό (μηχανική σταθεροποίηση του ωστενίτη). Σε υψηλά κραματωμένους χάλυβες (π.χ. με υψηλό νικέλιο) η θερμοκρασία M f είναι αρκετά χαμηλότερα από τους 0 C και έτσι το ποσοστό του παραμένοντα ωστενίτη είναι μεγαλύτερο. Κρυσταλλογραφία και μορφολογία: Όπως αναφέραμε και στην παράγραφο 6.4.2, η παραμόρφωση μορφής, S, που συνοδεύει τον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό αποτελείται από τρεις συνιστώσες B, R και L έτσι ώστε: S = BRL (10.8) Η παραμόρφωση Bain, B, είναι η συνιστώσα της ομογενούς παραμορφώσεως πλέγματος που μετατρέπει το πλέγμα FCC σε BCT και περιλαμβάνει την ακριβή αντιστοιχία των πλεγματικών θέσεων μεταξύ ωστενιτικής και μαρτενσιτικής φάσεως (Σχ. 6.27). Η ομογενής παραμόρφωση πλέγματος συμπληρώνεται από την περιστροφή στερεού σώματος R και προκύπτει από την σύζευξη της μετασχηματιζόμενης περιοχής με την ωστενιτική φάση. Η ομογενής παραμόρφωση πλέγματος BR προκαλεί τη συσσώρευση μιας σημαντικής ενέργειας 21

παραμορφώσεως, η οποία, όπως έχουμε ήδη αναφέρει, επιδρά σημαντικά στην κινητική και την μορφολογία του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού. Η χαλάρωση της ενέργειας παραμορφώσεως πραγματοποιείται με μια συμπληρωματική παραμόρφωση, η οποία σε κάποιο βαθμό αναιρεί μέρος της ομογενούς παραμορφώσεως πλέγματος. Η συμπληρωματική αυτή παραμόρφωση L, είναι ανομοιογενής και ονομάζεται παραμόρφωση αμετάβλητου πλέγματος διότι δεν μεταβάλλει την κρυσταλλική δομή. Η παραμόρφωση αυτή πραγματοποιείται με ολίσθηση αταξιών ή με σχηματισμό διδυμιών στον μαρτενσιτικό κρύσταλλο (Σχ. 10.12), ανάλογα με την περιεκτικότητα σε άνθρακα. Η συνολική παραμόρφωση μορφής S, έχει χαρακτηριστικά παραμορφώσεως αμετάβλητου επιπέδου (IPS) όπως έχουμε ήδη αναφέρει στην παράγραφο 6.4.2. Το πάγιο επίπεδο (habit plane), δηλαδή η διεπιφάνεια μαρτενσιτικής/ ωστενιτικής φάσεως, δεν παραμορφώνεται και δεν περιστρέφεται κατά τον μετασχηματισμό. Η παραμόρφωση μορφής S με χαρακτηριστικά IPS έχει δύο συνιστώσες, μία διατμητική γ ο, παράλληλη στο πάγιο επίπεδο και μία ορθή ε ο κάθετη σε αυτό. Τυπικές τιμές στους ανθρακοχάλυβες είναι γ ο = 0.20 και ε ο = 0.04. Η συνιστώσα γ ο αντιστοιχεί στον διατμητικό χαρακτήρα του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού, ενώ η ορθή συνιστώσα ε ο αντιστοιχεί στην διόγκωση που συνοδεύει τον μετασχηματισμό. Στους χάλυβες το πάγιο επίπεδο και η σχέση προσανατολισμού μεταξύ ωστενιτικής και μαρτενσιτικής φάσεως δεν είναι σταθερά αλλά εξαρτώνται από την περιεκτικότητα σε άνθρακα. Έτσι σε χάλυβες με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα το πάγιο επίπεδο είναι το {111} γ, για 0.5-1.4%κ.β. C το πάγιο επίπεδο είναι το {225} γ ενώ για υψηλές περιεκτικότητες σε άνθρακα (πάνω από 1.4% C) το πάγιο επίπεδο είναι{259} γ. Όταν το πάγιο επίπεδο είναι το {111} γ ή το {225} γ τότε η σχέση προσανατολισμού μεταξύ των πλεγμάτων της ωστενιτικής και μαρτενσιτικής φάσεως είναι κατά Kurdjumov και Sachs: { 111 } γ //{ 110} M και 10 1 // 111 (10.9) γ M ενώ όταν το πάγιο επίπεδο είναι το {259} γ τότε η σχέση προσανατολισμού είναι κατά Greninger και Troiano: { 111 } γ //{ 110} M και 112 γ // 110 M (10.10) Η μορφολογία της μαρτενσιτικής φάσεως εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε άνθρακα. Έτσι για περιεκτικότητα κάτω από 0.4% κ.β. C ο μαρτενσίτης έχει βελονοειδή μορφή (lath martensite) όπως στο Σχ. 10.13α, ενώ για περιεκτικότητες πάνω από 0.6% κ.β. C ο μαρτενσίτης έχει τη μορφή πλακιδίων (plate martensite) όπως στο Σχ. 10.13β. Για 22