Termička obrada čelika je najmoćniji mehanizam za uticaj na njegovu strukturu i svojstva. Zasnovan je na modifikacijama kristalnih rešetki u zavisnosti od igre temperatura. Ferit, perlit, cementit i austenit mogu biti prisutni u leguri gvožđa i ugljenika pod različitim uslovima. Potonji igra glavnu ulogu u svim termičkim transformacijama čelika.
Definicija
Čelik je legura gvožđa i ugljika, u kojoj je teoretski udio ugljika do 2,14%, ali ga tehnološki primjenjiv sadrži u količini ne većoj od 1,3%. Shodno tome, sve strukture koje se u njemu formiraju pod uticajem spoljašnjih uticaja su takođe varijante legura.
Teorija predstavlja njihovo postojanje u 4 varijacije: penetraciona čvrsta otopina, isključiva čvrsta otopina, mehanička mješavina zrna ili hemijsko jedinjenje.
Austenit je čvrsta otopina prodiranja atoma ugljika u kubičnu kristalnu rešetku gvožđa usredsređenu na lice, koja se naziva γ. Atom ugljenika se unosi u šupljinu γ-rešetke gvožđa. Njegove dimenzije premašuju odgovarajuće pore između atoma Fe, što objašnjava njihov ograničeni prolaz kroz "zidove" glavne strukture. Nastaje u procesimatemperaturne transformacije ferita i perlita sa povećanjem toplote iznad 727˚S.
Tabela legura gvožđa i ugljenika
Grafikon koji se naziva dijagram stanja željezo-cementit, izgrađen eksperimentalno, jasna je demonstracija svih mogućih opcija za transformacije čelika i livenog gvožđa. Specifične temperaturne vrijednosti za određenu količinu ugljika u leguri formiraju kritične tačke u kojima se dešavaju važne strukturne promjene tokom procesa grijanja ili hlađenja, one također formiraju kritične linije.
GSE linija, koja sadrži tačke Ac3 i Acm, predstavlja nivo rastvorljivosti ugljenika kako se nivoi toplote povećavaju.
| Tabela rastvorljivosti ugljenika u austenitu u zavisnosti od temperature | |||||
| Temperatura, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Približna rastvorljivost C u austenitu, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Karakteristike obrazovanja
Austenit je struktura koja nastaje kada se čelik zagrije. Po dostizanju kritične temperature, perlit i ferit čine integralnu supstancu.
Opcije grijanja:
- Uniforma, dok se ne postigne tražena vrijednost, kratka ekspozicija,hlađenje. Ovisno o karakteristikama legure, austenit može biti potpuno ili djelomično formiran.
- Sporo povećanje temperature, dug period održavanja dostignutog nivoa toplote da bi se dobio čisti austenit.
Svojstva dobijenog zagrijanog materijala, kao i onoga što će se dogoditi kao rezultat hlađenja. Mnogo zavisi od postignutog nivoa toplote. Važno je spriječiti pregrijavanje ili pregrijavanje.
Mikrostruktura i svojstva
Svaka od faza karakterističnih za legure gvožđa i ugljenika ima svoju strukturu rešetki i zrna. Struktura austenita je lamelarna, ima oblike bliske igličastom i ljuskastom. Sa potpunim rastvaranjem ugljika u γ-gvožđu, zrna imaju svijetli oblik bez prisustva tamnih cementitnih inkluzija.
Tvrdoća je 170-220 HB. Toplotna i električna provodljivost su za red veličine niže od provodljivosti ferita. Nema magnetnih svojstava.
Varijante hlađenja i njegove brzine dovode do stvaranja raznih modifikacija "hladnog" stanja: martenzit, bainit, troostit, sorbit, perlit. Imaju sličnu iglatu strukturu, ali se razlikuju po disperziji čestica, veličini zrna i česticama cementita.
Uticaj hlađenja na austenit
Raspadanje austenita se dešava na istim kritičnim tačkama. Njegova efikasnost zavisi od sledećih faktora:
- Brzina hlađenja. Utječe na prirodu inkluzija ugljika, formiranje zrna, formiranje konačnogmikrostruktura i njena svojstva. Zavisi od medija koji se koristi kao rashladna tekućina.
- Prisustvo izotermne komponente u jednoj od faza raspadanja - kada se spusti na određeni temperaturni nivo, stabilna toplota se održava određeni vremenski period, nakon čega se nastavlja brzo hlađenje ili se javlja zajedno sa 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, u zavisnosti od stepena promjene temperature - ovo je dijagram transformacije austenita. Pravo hlađenje je kontinuirano. Moguće su samo neke faze prisilnog zadržavanja topline. Grafikon opisuje izotermne uslove.
Karakter može biti difuzni i nedifuzni.
Pri standardnim stopama smanjenja toplote, zrno austenita se menja difuzijom. U zoni termodinamičke nestabilnosti atomi se počinju kretati među sobom. Oni koji nemaju vremena da prodru u željeznu rešetku formiraju inkluzije cementita. Pridružuju im se susjedne čestice ugljika koje se oslobađaju iz njihovih kristala. Cementit se formira na granicama propadajućih zrna. Prečišćeni feritni kristali formiraju odgovarajuće ploče. Formira se disperzna struktura - mješavina zrna čija veličina i koncentracija zavise od brzine hlađenja i sadržajalegure ugljenika. Perlit i njegove međufaze takođe se formiraju: sorbit, troostit, bainit.
Pri značajnim brzinama pada temperature, raspadanje austenita nema karakter difuzije. Javljaju se složena izobličenja kristala, unutar kojih se svi atomi istovremeno pomiču u ravnini bez promjene njihove lokacije. Nedostatak difuzije doprinosi nukleaciji martenzita.
Uticaj stvrdnjavanja na karakteristike razgradnje austenita. martenzit
Stvrdnjavanje je vrsta termičke obrade čija je suština brzo zagrevanje na visoke temperature iznad kritičnih tačaka 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 prezasićeni čvrsti rastvor prodiranja ugljenika u gvožđe sa kristalnom rešetkom tipa α. Zbog snažnih pomaka atoma, on se izobličuje i formira tetragonalnu rešetku, što je uzrok stvrdnjavanja. Formirana struktura ima veći volumen. Kao rezultat, kristali omeđeni ravninom se sabijaju, rađaju se igličaste ploče.
Martenzit je jak i vrlo tvrd (700-750 HB). Nastaje isključivo kao rezultat brzog gašenja.
Učvršćivanje. Difuzijske strukture
Austenit je formacija iz koje se mogu umjetno proizvesti bainit, troostit, sorbit i perlit. Ako dođe do hlađenja stvrdnjavanja namanjim brzinama provode se difuzijske transformacije, njihov mehanizam je gore opisan.
Troostit je perlit, koji se odlikuje visokim stepenom disperzije. Nastaje kada se toplota smanji za 100˚S u sekundi. Veliki broj sitnih zrnaca ferita i cementita raspoređen je po cijeloj ravni. “Stvrdnuti” cementit karakterizira lamelarni oblik, a troostit dobiven naknadnim temperiranjem ima zrnastu vizualizaciju. Tvrdoća - 600-650 HB.
Bainit je međufaza, koja je još dispergirana mješavina kristala visokougljičnog ferita i cementita. U pogledu mehaničkih i tehnoloških svojstava, inferiorniji je od martenzita, ali nadmašuje 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 zrna 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 mogu formirati i tokom kaljenja, žarenja i normalizacije, čije karakteristike određuju oblik zrna i njihovu veličinu.
Učinak žarenja nakarakteristike raspada austenita
Praktično sve vrste žarenja i normalizacije zasnivaju se na recipročnoj transformaciji austenita. Potpuno i nepotpuno žarenje se primjenjuje na hipoeutektoidne čelike. Dijelovi se zagrijavaju u peći iznad kritičnih tačaka Ac3 i Ac1 respektivno. Prvi tip karakterizira prisustvo dugog perioda držanja, koji osigurava potpunu transformaciju: ferit-austenit i perlit-austenit. Nakon toga slijedi sporo hlađenje radnih komada u peći. Na izlazu se dobija fino dispergovana mešavina ferita i perlita, bez unutrašnjih 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 sa udjelom ugljika od 0,8 do 1,3%, pri hlađenju, kao dio normalizacije, dolazi do raspadanja u smjeru: austenit-perlit i austenit-cementit.
Drugi tip termičke obrade baziran 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 sa sporim 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 karakteristike. U stvarnosti, promjene se dešavaju sa stalnim smanjenjem topline, čija brzina određuje rezultat.
Jedna od metoda najbližih idealnim uslovima je izotermno žarenje. Njegova suština se također sastoji u zagrijavanju i držanju do potpunog raspadanja svih struktura u austenit. Hlađenje se sprovodi u nekoliko faza, što doprinosi sporijoj, dužoj i termički stabilnijoj razgradnji.
- Brzi pad temperature na 100˚C ispod Ac tačke1.
- Prinudno zadržavanje postignute vrijednosti (stavljanjem u peć) dugo vremena dok se ne završe procesi formiranja feritno-perlitnih faza.
- Hlađenje na mirnom zraku.
Metoda je primjenjiva i na legirane čelike, koji se odlikuju prisustvom zaostalog austenita u ohlađenom stanju.
Zadržani austenit i austenitni čelici
Ponekad je moguć nepotpuni raspad kada postoji zadržani austenit. Ovo 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 dispergiranih transformacija komplikovani. Zahtijeva posebne metode toplinske obrade kao što je homogenizacija ili izotermno žarenje.
Za visokolegirane -nema procesa opisanih transformacija. Legiranje čelika sa niklom, manganom, hromom doprinosi stvaranju austenita kao glavne čvrste strukture, koja ne zahtijeva dodatne utjecaje. Austenitne čelike karakteriše visoka čvrstoća, otpornost na koroziju i toplotu, otpornost na toplotu i otpornost na teške agresivne radne uslove.
Austenit je struktura bez čijeg formiranja nije moguće visokotemperaturno zagrijavanje čelika i koja je uključena u gotovo sve metode njegove toplinske obrade u cilju poboljšanja mehaničkih i tehnoloških svojstava.