7.2.3. Najważniejsze cechy przemiany martenzytycznej 1. Przemiana martenzytyczna jest bezdyfuzyjna.
2. Zachodzi tylko w zakresie temperatur od MS do Mf. 3. Zachodzi tylko przy obniżaniu temperatury.
4. Sieci krystaliczne martenzytu i austenitu są zorientowane względem siebie pod określonym kątem.
5. Martenzyt w stalach średnio i wysoko węglowych ma postać płytek.
6. Wzrost każdej płytki przebiega „wybuchowo" - z szybkością rozchodzenia się dźwięku w stali
7. Płytki nie mogą przecinać granic ziarn austenitu ani innych płytek.
8. Naprężenia rozciągające oraz odkształcenie plastyczne ułatwiają przemianę martenzytyczną.
Przemiana bainityczna jest to przemiana austenitu przechłodzonego w bainit1).
Bainit jest to mieszanina dwóch faz: przesyconego węglem ferrytu tworzą-cego osnowę i bardzo drobnych wydzieleń węglików - cementytu lub węglika żelaza ε. Przemiana bainityczna jest przemianą pośrednią (przejściową) między przemianą perlityczną (dyfuzyjną) a martenzytyczną (bezdyfuzyjna), ponieważ wykazuje zarówno cechy przemiany dyfuzyjnej, jak i bezdyfuzyjnej. Zachodzi ona w zakresie temperatur od około 550°C do MS, w którym dyfuzja atomów żelaza jest zamrożona, możliwa jest natomiast dyfuzja węgla.
W temperaturze od 550°C do 350°C w przechłodzonym austenicie, drogą dyfuzji, powstają mikroobszary ubogie i wzbogacone w węgiel. Austenit o niższej zawartości węgla ulega bezdyfuzyjnej przemianie w iglasty przesycony ferryt. Otaczający go austenit bogatszy w węgiel wydziela cienkie płytki cementytu, co przedstawiono schematycznie na rys. 7.10. Wywołuje to z kolei zubożenie przyległego austenitu w węgiel i utworzenie następnych igieł ferrytu.
Wydzielone płytki cementytu są ułożone równolegle do igieł ferrytu i rozróż-nialne pod mikroskopem. Struktura ma charakter pierzasty, a ze względu na zakres temperatur powstawania nazwano ją bainitem górnym (fot. 7.4).
W temperaturach niższych niż 350°C, aż do temperatury MS, przemiana zaczyna się od bezdyfuzyjnej przemiany austenitu w przesycony węglem iglasty ferryt, podobny do martenzytu. Igły ferrytu nachylone są bowiem do siebie pod
1) W stalach węglowych przemiana bainityczna zachodzi całkowicie tylko przy chłodzeniu izotermicznym.
121
Rys. 7.10. Schemat powstawania bainitu: a) górnego, b) dolnego
kątem 60° i 120°. W tych niskich temperaturach odległości, o jakie mogą się przemieścić atomy węgla, są bardzo małe, dlatego węgiel wydziela się z przesy-conego ferrytu wewnątrz igieł w postaci bardzo drobnych i cienkich płytek węglika ε lub cementytu, nachylonych do osi igieł pod kątem 60°. Węglików jest tym mniej, im niższa jest temperatura przemiany, a przesycenie ferrytu przez to większe. Powstała struktura - bainit dolny jest podobna do marten-zytu, jednak wskutek obecności w igłach bardzo drobnych cząstek węglików trawi się silniej i jest ciemniejsza (fot. 7.5).
Twardość bainitu jest większa niż perlitu, wynika to z dużej dyspersji wydzieleń węglikowych i przesycenia ferrytu węglem. Bainit górny wykazuje twardość około 40 HRC, a dolny około 55 HRC.
7 . 4 . Dobór temperatury hartowania dla stali węglowej
Temperaturę hartowania, czyli austenityzowania stali węglowych, wy-znacza się na podstawie wykresu układu równowagi Fe-Fe3C. Powinna ona leżeć w zakresie 30÷50°C powyżej temperatury Ac3 dla stali podeutektoidalnej i 30÷50°C powyżej temperatury Ac1 dla stali eutektoidalnej i nadeutektoidal-nej (rys. 7.11). Zakres ten wyznaczono dążąc do osiągnięcia pożądanadeutektoidal-nej struktury stali przy możliwie najniższej temperaturze. W stali pod- i eutek-toidalnej pożądaną strukturą jest drobnoziarnisty, jednorodny austenit, z któ-rego po oziębieniu powstaje drobnoiglasty martenzyt. W stalach nadeutek-toidalnych z drobnoziarnistego austenitu powstaje martenzyt, a cementyt drugorzędowy pozostaje w strukturze jako składnik twardszy od martenzytu, zwiększający odporność na ścieranie stali (fot. 7.6).
ferryt mniej przesycony
igły przesyconego ferrytu płytki
Fe3C
cementyt przesycony
ferryt
a)
b)
Rys. 7.11. Fragment wykresu równowagi Fe-Fe3C z naniesionym pasmem prawidłowych tem-peratur hartowania oraz zaznaczonymi przykładami nieprawidłowych temtem-peratur hartowania
T1 - 1 0
Błędy przy doborze temperatury hartowania na ogół powodują niepowo-dzenie całej obróbki cieplnej. Stosowanie temperatur wygrzewania leżących poniżej Ac1, np.: T1, T5 i T8 zaznaczonych na rys. 7.12 nie wytworzy w ogóle austenitu, więc następne oziębienie nie może zmienić struktury wyjściowej stali.
Wygrzewanie stali w temperaturze T2 powoduje austenityzowanie częściowe, obok austenitu istnieje ferryt, a po oziębieniu uzyskuje się niepożądaną strukturę martenzytu z ferrytem (fot. 7.7) silnie obniżającym twardość stali i sprężystość po odpuszczaniu. Austenityzowanie w temperaturach T3, T6, T9
- zbyt niskich - nie przynosi pożądanych efektów, ponieważ austenit w tym obszarze temperatur nie jest jednorodny, a ponadto wskutek zbyt małego stopnia przegrzania pozostaje pewna ilość ferrytu (w T3) lub perlitu (w T6 i T3), (fot. 7.8), które po oziębieniu obniżają twardość stali. Austenityzowanie w temperaturach zbyt wysokich - T4, T7 i T1 0 jest niekorzystna, ponieważ wywołuje:
• nadmierny rozrost ziarn austenitu, dających po oziębieniu kruchy, grubo-iglasty martenzyt,
• niepożądany wzrost naprężeń podczas oziębiania,
• zwiększenie ilości austenitu szczątkowego w stalach nadeutektoidalnych, który obniża twardość stali,
• wzrost zużycia energii.
Temperatury hartowania poszczególnych gatunków stali podawane są w normach, kartach materiałowych, katalogach.
123 7.5. Naprężenia hartownicze
Podczas oziębiania hartowanego przedmiotu z szybkością większą od krytycznej powstają dwa rodzaje naprężeń - cieplne oraz strukturalne - okreś-lane łącznie naprężeniami hartowniczymi.
Naprężenia cieplne powstają wsku-tek różnicy temperatur pomiędzy powie-rzchnią a rdzeniem hartowanego przed-miotu, szybszym ochładzaniem się i kur-czeniem warstw zewnętrznych niż rdzenia (rys. 7.12). Naprężenia cieplne są tym większe, im większy jest przekrój har-towanego przedmiotu i im większa jest szybkość chłodzenia.
Naprężenia strukturalne wywołane są przez przemianę martenzytyczną, po-wodującą zmianę objętości właściwej, (rozdz. 7.2.1). Dodatkowy wpływ wywie-ra różny stopień zaawansowania prze-miany na grubości hartowanego elemen-tu.
Po zahartowaniu znaczna część
naprężeń pozostaje w przedmiocie i musi być usunięta przez zastosowanie odpuszczania.
Nadmierne naprężenia występujące w stali mogą być przyczyną:
• odkształcenia trwałego (paczenia się) hartowanych przedmiotów, zmian kształtu otworów, utraty płaskości itp.,
• powstawania pęknięć hartowniczych.
Istnieją sposoby przeciwdziałania tym szkodliwym zjawiskom, jak: stosowanie specjalnego sposobu chłodzenia (hartowanie stopniowe, hartowanie z przemia-ną izotermiczprzemia-ną), dobór innej stali, wymagającej mniejszej szybkości chłodze-nia, bądź uproszczenia konstrukcji przedmiotu dla uniknięcia gwałtownych zmian przekroju, które sprzyjają powstawaniu dużych naprężeń.
Rys. 7.12. Krzywe chłodzenia przedmiotu stalowego na tle wykresu CTP. Po czasie Τ1
powstaje różnica temperatur pomiędzy po-wierzchnią a rdzeniem równa Tr — Tp