Toplotna obdelava jekla je najmočnejši mehanizem za vplivanje na njegovo strukturo in lastnosti. Temelji na modifikacijah kristalnih rešetk glede na igro temperatur. Ferit, perlit, cementit in avstenit so lahko prisotni v zlitini železa in ogljika pod različnimi pogoji. Slednji igra pomembno vlogo pri vseh toplotnih transformacijah jekla.
Definicija
Jeklo je zlitina železa in ogljika, v kateri je teoretično do 2,14 % vsebnost ogljika, vendar ga tehnološko uporabno vsebuje v količini največ 1,3 %. V skladu s tem so vse strukture, ki se v njem tvorijo pod vplivom zunanjih vplivov, tudi sorte zlitin.
Teorija predstavlja njihov obstoj v 4 različicah: penetracijska trdna raztopina, izločevalna trdna raztopina, mehanska mešanica zrn ali kemična spojina.
Austenit je trdna raztopina prodiranja ogljikovih atomov v obrazno-centrično kubično kristalno mrežo železa, imenovano γ. Ogljikov atom se vnese v votlino γ-rešetke železa. Njegove dimenzije presegajo ustrezne pore med atomi Fe, kar pojasnjuje njihov omejen prehod skozi "stene" glavne strukture. Nastane v procesihtemperaturne transformacije ferita in perlita z naraščajočo toploto nad 727˚С.
Tabela zlitin železo-ogljik
Graf, imenovan diagram stanja železo-cementit, zgrajen eksperimentalno, je jasen prikaz vseh možnih možnosti za transformacije jekel in litega železa. Specifične temperaturne vrednosti za določeno količino ogljika v zlitini tvorijo kritične točke, na katerih se med procesom ogrevanja ali hlajenja pojavijo pomembne strukturne spremembe, tvorijo tudi kritične črte.
Vrtica GSE, ki vsebuje točki Ac3 in Acm, predstavlja stopnjo topnosti ogljika, ko se raven toplote poveča.
| Tabela topnosti ogljika v avstenitu glede na temperaturo | |||||
| temperatura, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Približna topnost C v avstenitu, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Značilnosti izobraževanja
Austenit je struktura, ki nastane pri segrevanju jekla. Ko dosežeta kritično temperaturo, perlit in ferit tvorita integralno snov.
Možnosti ogrevanja:
- Enotna, dokler ni dosežena zahtevana vrednost, kratka osvetlitev,hlajenje. Glede na značilnosti zlitine je avstenit lahko v celoti ali delno oblikovan.
- Počasen dvig temperature, dolgo obdobje vzdrževanja dosežene stopnje toplote za pridobitev čistega avstenita.
Lastnosti nastalega segretega materiala, pa tudi tistega, ki bo nastal kot posledica hlajenja. Veliko je odvisno od dosežene stopnje toplote. Pomembno je preprečiti pregrevanje ali pregrevanje.
Mikrostruktura in lastnosti
Vsaka od faz, značilnih za zlitine železo-ogljik, ima svojo strukturo rešetk in zrn. Struktura avstenita je lamelna, ima oblike, ki so blizu tako iglasti kot luskastim. S popolnim raztapljanjem ogljika v γ-železu imajo zrna svetlo obliko brez prisotnosti temnih cementitnih vključkov.
Trdota je 170-220 HB. Toplotna in električna prevodnost sta za red velikosti nižja kot pri feritu. Brez magnetnih lastnosti.
Različice hlajenja in njegova hitrost vodijo v nastanek različnih modifikacij "hladnega" stanja: martenzit, bainit, troostit, sorbit, perlit. Imajo podobno iglasto strukturo, vendar se razlikujejo po disperziji delcev, velikosti zrn in delcih cementita.
Učinek hlajenja na avstenit
Razgradnja avstenita se pojavi na istih kritičnih točkah. Njegova učinkovitost je odvisna od naslednjih dejavnikov:
- Stopnja hlajenja. Vpliva na naravo ogljikovih vključkov, tvorbo zrn, nastanek končnegamikrostruktura in njene lastnosti. Odvisno od medija, uporabljenega kot hladilno sredstvo.
- Prisotnost izotermične komponente na eni od stopenj razgradnje - ko se zniža na določeno temperaturno raven, se stabilna toplota ohranja določeno časovno obdobje, po katerem se nadaljuje hitro ohlajanje ali pa se pojavi skupaj z kurilna naprava (peč).
Tako se razlikuje neprekinjena in izotermična transformacija avstenita.
Lastnosti značaja transformacij. Grafikon
graf v obliki črke C, ki prikazuje naravo sprememb mikrostrukture kovine v časovnem intervalu, odvisno od stopnje spremembe temperature - to je diagram transformacije avstenita. Pravo hlajenje je neprekinjeno. Možne so le nekatere faze prisilnega zadrževanja toplote. Graf opisuje izotermične pogoje.
Znak je lahko razpršen in nedifuzen.
Pri standardnih stopnjah zmanjšanja toplote se avstenitno zrno spreminja z difuzijo. V območju termodinamične nestabilnosti se atomi začnejo premikati med seboj. Tisti, ki nimajo časa, da bi prodrli v železovo mrežo, tvorijo cementitne vključke. Pridružijo se jim sosednji ogljikovi delci, ki se sprostijo iz njihovih kristalov. Cementit nastane na mejah razpadajočih zrn. Prečiščeni feritni kristali tvorijo ustrezne plošče. Nastane razpršena struktura - mešanica zrn, katerih velikost in koncentracija sta odvisna od hitrosti hlajenja in vsebnostizlitine ogljika. Nastane tudi perlit in njegove vmesne faze: sorbit, troostit, bainit.
Pri znatnih stopnjah znižanja temperature razgradnja avstenita nima difuzijskega značaja. Pojavijo se kompleksna popačenja kristalov, znotraj katerih so vsi atomi hkrati premaknjeni v ravnini, ne da bi spremenili svojo lokacijo. Pomanjkanje difuzije prispeva k nukleaciji martenzita.
Vpliv utrjevanja na značilnosti razgradnje avstenita. martenzit
Utrjevanje je vrsta toplotne obdelave, katere bistvo je hitro segrevanje na visoke temperature nad kritičnimi točkami Ac3 in Acm, čemur sledi hitro hlajenje. Če temperaturo znižamo s pomočjo vode s hitrostjo več kot 200˚С na sekundo, nastane trdna iglasta faza, ki se imenuje martenzit.
Je prenasičena trdna raztopina prodiranja ogljika v železo s kristalno mrežo tipa α. Zaradi močnih premikov atomov se popači in tvori tetragonalno mrežo, ki je vzrok za utrjevanje. Oblikovana struktura ima večji volumen. Posledično se kristali, omejeni z ravnino, stisnejo, rodijo se igličaste plošče.
Martenzit je močan in zelo trd (700-750 HB). Nastane izključno kot posledica hitrega gašenja.
Utrjevanje. Difuzijske strukture
Austenit je tvorba, iz katere se lahko umetno proizvaja bainit, troostit, sorbit in perlit. Če pride do hlajenja utrjevanja prinižje hitrosti, se izvajajo difuzijske transformacije, njihov mehanizem je opisan zgoraj.
Troostit je perlit, za katerega je značilna visoka stopnja razpršenosti. Nastane, ko se toplota zmanjša za 100˚С na sekundo. Po celotni ravnini je razporejeno veliko število majhnih zrn ferita in cementita. Za "utrjen" cementit je značilna lamelna oblika, troostit, pridobljen z naknadnim kaljenjem, pa ima zrnato vizualizacijo. Trdota - 600-650 HB.
Bainit je vmesna faza, ki je še bolj razpršena mešanica kristalov visokoogljičnega ferita in cementita. Po mehanskih in tehnoloških lastnostih je slabši od martenzita, vendar presega troostit. Nastane v temperaturnih območjih, ko je difuzija nemogoča, sile stiskanja in premikanja kristalne strukture za preoblikovanje v martenzitno ne zadostujejo.
Sorbitol je groba igličasta vrsta perlitnih faz, ko se ohladi s hitrostjo 10˚С na sekundo. Mehanske lastnosti so vmesne med perlitom in troostitom.
Perlit je kombinacija zrn ferita in cementita, ki so lahko zrnati ali lamelni. Nastane kot posledica gladkega razpada avstenita s hitrostjo hlajenja 1˚C na sekundo.
Beitit in troostit sta bolj povezana s utrjevalnimi strukturami, medtem ko se pri kaljenju, žarjenju in normalizaciji lahko tvorita tudi sorbit in perlit, katerih značilnosti določajo obliko zrn in njihovo velikost.
Učinek žarjenja naznačilnosti razpada avstenita
Praktično vse vrste žarjenja in normalizacije temeljijo na vzajemni transformaciji avstenita. Popolno in nepopolno žarjenje se uporablja za hipoevtektoidna jekla. Deli se segrejejo v peči nad kritičnimi točkami Ac3 oziroma Ac1. Za prvo vrsto je značilna prisotnost dolgega obdobja držanja, ki zagotavlja popolno preobrazbo: ferit-avstenit in perlit-avstenit. Sledi počasno ohlajanje obdelovancev v peči. Na izhodu dobimo fino razpršeno mešanico ferita in perlita, brez notranjih napetosti, plastično in trpežno. Nepopolno žarjenje je manj energetsko intenzivno in samo spremeni strukturo perlita, tako da ferit ostane skoraj nespremenjen. Normalizacija pomeni višjo stopnjo znižanja temperature, hkrati pa tudi bolj grobo in manj plastično strukturo na izstopu. Pri jeklenih zlitinah z vsebnostjo ogljika od 0,8 do 1,3 % pri ohlajanju, kot del normalizacije, pride do razgradnje v smeri: avstenit-perlit in avstenit-cementit.
Druga vrsta toplotne obdelave, ki temelji na strukturnih transformacijah, je homogenizacija. Uporablja se za velike dele. To pomeni absolutno doseganje avstenitnega grobozrnatega stanja pri temperaturah 1000-1200 ° C in izpostavljenost v peči do 15 ur. Izotermični procesi se nadaljujejo s počasnim hlajenjem, kar pomaga izravnati kovinske konstrukcije.
Izotermično žarjenje
Vsaka od naštetih metod vplivanja na kovino za poenostavitev razumevanjase šteje za izotermno transformacijo avstenita. Vendar ima vsak od njih le na določeni stopnji značilne lastnosti. V resnici se spremembe pojavljajo s stalnim zmanjševanjem toplote, katere hitrost določa rezultat.
Ena od metod, ki so najbližje idealnim pogojem, je izotermično žarjenje. Njegovo bistvo je tudi v segrevanju in držanju do popolnega razpada vseh struktur v avstenit. Hlajenje se izvaja v več fazah, kar prispeva k počasnejši, daljši in termično stabilnejši razgradnji.
- Hitro znižanje temperature na 100˚C pod točko Ac1.
- Prisilno zadrževanje dosežene vrednosti (z dajanjem v peč) dolgo časa, dokler se ne zaključijo procesi nastajanja feritno-perlitnih faz.
- Hlajenje v mirnem zraku.
Metoda je uporabna tudi za legirana jekla, za katera je značilna prisotnost ostanka avstenita v ohlajenem stanju.
Zadržani avstenit in avstenitna jekla
Včasih je možen nepopolni razpad, če je zadržan avstenit. To se lahko zgodi v naslednjih situacijah:
- Hlajenje prehitro, ko ne pride do popolnega razpada. Je strukturna komponenta bainita ali martenzita.
- Visokoogljično ali nizko legirano jeklo, pri katerem so procesi avstenitnih dispergiranih transformacij zapleteni. Zahteva posebne metode toplotne obdelave, kot sta homogenizacija ali izotermično žarjenje.
Za visoko legirane -procesov opisanih transformacij ni. Legiranje jekla z nikljem, manganom, kromom prispeva k tvorbi avstenita kot glavne močne strukture, ki ne zahteva dodatnih vplivov. Za avstenitna jekla je značilna visoka trdnost, odpornost proti koroziji in toplotno odpornost, odpornost na toploto in odpornost na težke agresivne delovne pogoje.
Austenit je struktura, brez katere nastajanje ni možno visokotemperaturno segrevanje jekla in ki je vključena v skoraj vse metode njegove toplotne obdelave z namenom izboljšanja mehanskih in tehnoloških lastnosti.