Termička obrada čelika je najmoćniji mehanizam za utjecaj na njegovu strukturu i svojstva. Temelji se na modifikacijama kristalnih rešetki ovisno o igri temperatura. Ferit, perlit, cementit i austenit mogu biti prisutni u leguri željeza i ugljika pod različitim uvjetima. Potonji igra glavnu ulogu u svim toplinskim transformacijama u čeliku.
Definicija
Čelik je legura željeza i ugljika, u kojoj je teoretski udio ugljika do 2,14%, ali ga tehnološki primjenjiv sadrži u količini ne većoj od 1,3%. Sukladno tome, sve strukture koje se u njemu formiraju pod utjecajem vanjskih utjecaja također su vrste legura.
Teorija predstavlja njihovo postojanje u 4 varijacije: penetrirajuća čvrsta otopina, isključiva kruta otopina, mehanička mješavina zrna ili kemijski spoj.
Austenit je čvrsta otopina prodiranja atoma ugljika u kubičnu kristalnu rešetku željeza usmjerenu na lice, koja se naziva γ. Atom ugljika se uvodi u šupljinu γ-rešetke željeza. Njegove dimenzije premašuju odgovarajuće pore između atoma Fe, što objašnjava njihov ograničeni prolaz kroz "zidove" glavne strukture. Nastaje u procesimatemperaturne transformacije ferita i perlita s povećanjem topline iznad 727˚S.
Grafika legura željeza i ugljika
Graf nazvan dijagram stanja željezo-cementit, izgrađen eksperimentalno, jasna je demonstracija svih mogućih opcija za transformacije čelika i lijevanog željeza. Specifične temperaturne vrijednosti za određenu količinu ugljika u leguri čine kritične točke na kojima se događaju važne strukturne promjene tijekom procesa grijanja ili hlađenja, one također formiraju kritične linije.
GSE linija, koja sadrži točke Ac3 i Acm, predstavlja razinu topljivosti ugljika kako se razina topline povećava.
| Tablica topivosti ugljika u austenitu u odnosu na temperaturu | |||||
| temperatura, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Približna topljivost C u austenitu, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Značajke obrazovanja
Austenit je struktura koja nastaje kada se čelik zagrijava. Po dostizanju kritične temperature, perlit i ferit čine integralnu tvar.
Opcije grijanja:
- Uniforma, dok se ne postigne tražena vrijednost, kratka ekspozicija,hlađenje. Ovisno o karakteristikama legure, austenit može biti potpuno ili djelomično formiran.
- Polagano povećanje temperature, dugo razdoblje održavanja dostignute razine topline kako bi se dobio čisti austenit.
Svojstva dobivenog zagrijanog materijala, kao i onoga što će se dogoditi kao rezultat hlađenja. Mnogo ovisi o postignutoj razini topline. Važno je spriječiti pregrijavanje ili pregrijavanje.
Mikrostruktura i svojstva
Svaka od faza karakterističnih za legure željeza i ugljika ima svoju strukturu rešetki i zrna. Struktura austenita je lamelarna, oblika bliskih iglastim i ljuskastim. Uz potpuno otapanje ugljika u γ-željezu, zrna imaju svijetli oblik bez prisutnosti tamnih cementitnih inkluzija.
Tvrdoća je 170-220 HB. Toplinska i električna vodljivost su za red veličine niže od ferita. Nema magnetskih svojstava.
Varijante hlađenja i njegove brzine dovode do stvaranja raznih modifikacija "hladnog" stanja: martenzit, bainit, troostit, sorbit, perlit. Imaju sličnu iglastu strukturu, ali se razlikuju po disperziji čestica, veličini zrna i česticama cementita.
Učinak hlađenja na austenit
Razgradnja austenita događa se na istim kritičnim točkama. Njegova učinkovitost ovisi o sljedećim čimbenicima:
- Brzina hlađenja. Utječe na prirodu inkluzija ugljika, formiranje zrna, formiranje konačnogmikrostruktura i njena svojstva. Ovisi o mediju koji se koristi kao rashladna tekućina.
- Prisutnost izotermne komponente u jednoj od faza razgradnje - kada se snizi na određenu temperaturu, stabilna toplina se održava određeno vrijeme, nakon čega se nastavlja brzo hlađenje ili se javlja zajedno s uređaj za grijanje (peć).
Tako se razlikuje kontinuirana i izotermna transformacija austenita.
Obilježja karaktera transformacija. Grafikon
graf u obliku C, koji prikazuje prirodu promjena u mikrostrukturi metala u vremenskom intervalu, ovisno o stupnju promjene temperature - ovo je dijagram transformacije austenita. Pravo hlađenje je kontinuirano. Moguće su samo neke faze prisilnog zadržavanja topline. Grafikon opisuje izotermne uvjete.
Karakter može biti difuzni i nedifuzni.
Pri standardnim stopama smanjenja topline, zrno austenita se mijenja difuzijom. U zoni termodinamičke nestabilnosti atomi se počinju kretati među sobom. Oni koji nemaju vremena prodrijeti u željeznu rešetku tvore inkluzije cementita. Pridružuju im se susjedne čestice ugljika koje se oslobađaju iz njihovih kristala. Cementit nastaje na granicama raspadajućih zrna. Pročišćeni feritni kristali tvore odgovarajuće ploče. Formira se disperzirana struktura - mješavina zrna čija veličina i koncentracija ovise o brzini hlađenja i sadržajulegirani ugljik. Također nastaju perlit i njegove međufaze: sorbit, troostit, bainit.
Pri značajnim brzinama pada temperature, raspadanje austenita nema difuzijski karakter. Javljaju se složena izobličenja kristala unutar kojih se svi atomi istovremeno pomiču u ravnini bez promjene njihovog položaja. Nedostatak difuzije doprinosi nukleaciji martenzita.
Utjecaj stvrdnjavanja na karakteristike razgradnje austenita. martenzit
Stvrdnjavanje je vrsta toplinske obrade čija je bit brzo zagrijavanje na visoke temperature iznad kritičnih točaka Ac3 i Acm, nakon čega slijedi brzo hlađenje. Ako se temperatura snizi uz pomoć vode brzinom većom od 200˚S u sekundi, tada nastaje čvrsta iglasta faza, koja se naziva martenzit.
To je prezasićena čvrsta otopina prodiranja ugljika u željezo s kristalnom rešetkom tipa α. Zbog snažnih pomaka atoma, on se izobličuje i stvara tetragonalnu rešetku, što je uzrok stvrdnjavanja. Formirana struktura ima veći volumen. Kao rezultat, kristali omeđeni ravninom su komprimirani, rađaju se igličaste ploče.
Martenzit je jak i vrlo tvrd (700-750 HB). Nastaje isključivo kao rezultat brzog gašenja.
Stvrdnjavanje. Difuzijske strukture
Austenit je formacija iz koje se mogu umjetno proizvesti bainit, troostit, sorbit i perlit. Ako do hlađenja stvrdnjavanja dođe kodmanjim brzinama provode se difuzijske transformacije, njihov mehanizam je gore opisan.
Troostit je perlit, koji se odlikuje visokim stupnjem disperzije. Nastaje kada se toplina smanji za 100˚S u sekundi. Velik broj sitnih zrnaca ferita i cementita raspoređen je po cijeloj ravnini. “Stvrdnuti” cementit karakterizira lamelarni oblik, a troostit dobiven naknadnim temperiranjem ima zrnastu vizualizaciju. Tvrdoća - 600-650 HB.
Bainit je međufaza, koja je još više raspršena mješavina kristala visokougljičnog ferita i cementita. U pogledu mehaničkih i tehnoloških svojstava, inferioran je martenzitu, ali premašuje troostit. Nastaje u temperaturnim rasponima kada je difuzija nemoguća, a sile kompresije i kretanja kristalne strukture za transformaciju u martenzitnu nisu dovoljne.
Sorbitol je gruba igličasta vrsta perlitnih faza kada se hladi brzinom od 10˚S u sekundi. Mehanička svojstva su srednja između perlita i troostita.
Perlit je kombinacija zrnaca ferita i cementita, koji mogu biti granulirani ili lamelarni. Nastaje kao rezultat glatkog raspada austenita sa brzinom hlađenja od 1˚C u sekundi.
Beitit i troostit su više vezani za strukture stvrdnjavanja, dok se sorbit i perlit također mogu formirati tijekom kaljenja, žarenja i normalizacije, čije karakteristike određuju oblik zrna i njihovu veličinu.
Učinak žarenja naznačajke raspada austenita
Praktično sve vrste žarenja i normalizacije temelje se na recipročnoj transformaciji austenita. Potpuno i nepotpuno žarenje primjenjuje se na hipoeutektoidne čelike. Dijelovi se zagrijavaju u peći iznad kritičnih točaka Ac3 i Ac1 respektivno. Prvi tip karakterizira prisutnost dugog razdoblja držanja, što osigurava potpunu transformaciju: ferit-austenit i perlit-austenit. Nakon toga slijedi polagano hlađenje obratka u peći. Na izlazu se dobiva fino disperzirana mješavina ferita i perlita, bez unutarnjih naprezanja, plastična i izdržljiva. Nepotpuno žarenje je manje energetski intenzivno i samo mijenja strukturu perlita, ostavljajući ferit praktički nepromijenjenim. Normalizacija podrazumijeva veću brzinu pada temperature, ali i grublju i manje plastičnu strukturu na izlazu. Za čelične legure s udjelom ugljika od 0,8 do 1,3%, hlađenjem, kao dio normalizacije, dolazi do raspadanja u smjeru: austenit-perlit i austenit-cementit.
Druga vrsta toplinske obrade koja se temelji na strukturnim transformacijama je homogenizacija. Primjenjivo je za velike dijelove. To podrazumijeva apsolutno postizanje austenitnog krupnozrnog stanja na temperaturama od 1000-1200 °C i izlaganje u peći do 15 sati. Izotermni procesi se nastavljaju polaganim hlađenjem, što pomaže ujednačavanju metalnih konstrukcija.
Izotermno žarenje
Svaka od navedenih metoda utjecaja na metal radi pojednostavljenja razumijevanjasmatra se izotermnom transformacijom austenita. Međutim, svaki od njih samo u određenoj fazi ima karakteristične značajke. U stvarnosti, promjene se događaju uz stalno smanjenje topline, čija brzina određuje rezultat.
Jedna od metoda najbližih idealnim uvjetima je izotermno žarenje. Njegova se bit također sastoji u zagrijavanju i držanju do potpunog raspadanja svih struktura u austenit. Hlađenje se provodi u nekoliko faza, što doprinosi sporijoj, dužoj i termički stabilnijoj razgradnji.
- Brzi pad temperature na 100˚C ispod Ac točke1.
- Prisilno zadržavanje postignute vrijednosti (stavljanjem u peć) dugo vremena dok se ne završe procesi stvaranja feritno-perlitnih faza.
- Hlađenje na mirnom zraku.
Metoda je također primjenjiva na legirane čelike, koje karakterizira prisutnost zaostalog austenita u ohlađenom stanju.
Zadržani austenit i austenitni čelici
Ponekad je moguć nepotpuni raspad kada postoji zadržani austenit. To se može dogoditi u sljedećim situacijama:
- Prebrzo hlađenje kada ne dođe do potpunog raspadanja. To je strukturna komponenta bainita ili martenzita.
- Visokougljični ili niskolegirani čelik, za koji su procesi austenitnih raspršenih transformacija komplicirani. Zahtijeva posebne metode toplinske obrade kao što je homogenizacija ili izotermno žarenje.
Za visokolegirane -nema procesa opisanih transformacija. Legiranje čelika s niklom, manganom, kromom doprinosi stvaranju austenita kao glavne čvrste strukture, koja ne zahtijeva dodatne utjecaje. Austenitne čelike karakterizira visoka čvrstoća, otpornost na koroziju i toplinu, otpornost na toplinu i otpornost na teške agresivne radne uvjete.
Austenit je struktura bez čijeg formiranja nije moguće visokotemperaturno zagrijavanje čelika i koja je uključena u gotovo sve metode njegove toplinske obrade radi poboljšanja mehaničkih i tehnoloških svojstava.