65
5 ZLIATINY ŽELEZO – UHLÍK
Rovnovážne fázové diagramy ako napr. diagram Fe – Fe3C 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 A1 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. 5-1. 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 Fe3C vylúčených v tvare
platničiek na hraniciach dosiek feritu (tzv. horný bainit) alebo vylúčených vo forme veľmi jemných
platničiek vo vnútri feritických dosiek pod uhlom 55 – 600 k ich hlavnej osi (tzv. dolný bainit).
Premena mriežky Feγ → Feα 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).
This project has been funded with support from the European Commission. This publication reflects the views only of the authors,
and the Commission cannot be held responsible for any use, which may be made of the information contained therein.
66
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. 5-2. Podľa tvaru sa zvykne IRA diagram nazývať ako C alebo S krivky. Označenie Ps a Bs
znamená začiatok a označenie Pf a Bf 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 A1 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 Ps zakresľuje ešte krivka
začiatku vylučovania proeutektoidného feritu Fs, resp. proeutektoidného cementitu Cs (obr.5-3a,
a 5-3b). Vodorovná čiara Mf 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 Ms a v nej sa ponechá kvôli vyrovnaniu teplôt
medzi jadrom a povrchom súčiastky, avšak len tak dlho, aby sme neprešli cez krivku Bs a potom sa
súčiastka dokalí do vody, resp. oleja.
This project has been funded with support from the European Commission. This publication reflects the views only of the authors,
and the Commission cannot be held responsible for any use, which may be made of the information contained therein.
67
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
This project has been funded with support from the European Commission. This publication reflects the views only of the authors,
and the Commission cannot be held responsible for any use, which may be made of the information contained therein.
68
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 vk (krivka 5 na obr. 5-5) označuje najmenšiu rýchlosť ochladzovania, nad
ktorou je výsledná štruktúra tvorená len martenzitom a prípadne zvyškovým austenitom.
S poklesom vk sa zvyšuje prekaliteľnosť ocele. Vpravo od vk sa krivka Ms zvažuje, lebo austenit,
ktorý ostal po skorších premenách (bainit, perlit ...) je obohatený o uhlík a teplota Ms sa so
zvyšujúcim obsahom C znižuje.
This project has been funded with support from the European Commission. This publication reflects the views only of the authors,
and the Commission cannot be held responsible for any use, which may be made of the information contained therein.
69
Obr. 5-5 Diagram ARA eutektoidnej ocele (schéma)
Vyšší obsah C zvyšuje aj podiel zvyškového austenitu v martenzite, lebo teplota Mf sa posúva
k mínusovým teplotám.
Tvar ARA diagramov pre podeutektoidnú a nadeutektoidnú oceľ je načrtnutý na obr. 5-6.
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 (~ 13000C) s udávaním času
ochladzovania t8/5 na časovej osi, čo je doba chladnutia medzi 800 a 500 0C. Pozri diagram ARA
v podmienkach zvárania zostrojený pre oceľ 11 484 na obr. 5-7.
This project has been funded with support from the European Commission. This publication reflects the views only of the authors,
and the Commission cannot be held responsible for any use, which may be made of the information contained therein.
70
Obr. 5-7 Diagram rozpadu austenitu v podmienkach zvárania ocele 11 484
Čas t8/5 sa dohodol ako charakteristika rýchlosti ochladzovania zváracích cyklov, lebo sa
predpokladá, že pri väčšine ocelí rozpad austenitu prebieha práve v intervale 800 – 500 0C.
Čas t8/5 sa dá zistiť z nomogramov zo vzťahu medzi tepelným príkonom zvárania (vnesené
teplo), zváranou hrúbkou a teplotou predhrevu (obr. 5-8).
This project has been funded with support from the European Commission. This publication reflects the views only of the authors,
and the Commission cannot be held responsible for any use, which may be made of the information contained therein.
71
Obr. 5-8 Nomogram stanovenia času ochladzovania ∆ t8/5 v závislosti od hrúbky plechu, tepelného
príkonu (vneseného tepla) a teploty predhrevu pre oblúkové zváranie [7]
This project has been funded with support from the European Commission. This publication reflects the views only of the authors,
and the Commission cannot be held responsible for any use, which may be made of the information contained therein.
Download

2.05 Zliatiny železo uhlík