Wykresy CTPi
Analiza przemian zachodzących w stali chłodzonej z temperatury aus-tenityzowania z różnymi szybkościami jest możliwa na podstawie specjalnie w tym celu opracowanych wykresów, zwanych wykresami CTP (czas - tem-peratura - przemiana).
Istnieją dwa rodzaje wykresów: CTPi oraz CTPc. Wykres CTPi (izoter-miczny) przedstawia przemiany zachodzące w danym gatunku stali w czasie chłodzenia izotermicznego (tj. z przystankiem temperaturowym) z temperatury austenityzowania, z różnymi stopniami przechłodzenia. Wykres CTPc (ciągły, inaczej anizotermiczny) obrazuje przemiany zachodzące w danym gatunku stali podczas chłodzenia ciągłego (tj. bez przystanków i załamań) z temperatury austenityzowania, z różnymi szybkościami.
Każdy gatunek stali ma jeden wykres CTPi i jeden wykres CTPc. Na podstawie wykresów CTP można określić, jakie przemiany następują w danym gatunku stali podczas chłodzenia izotermicznego z danym stopniem przech-łodzenia (wykres CTPi) lub w warunkach chłodzenia ciągłego z daną szybkoś-cią (wykres CTPc) oraz w jakim zakresie temperatur będą przebiegać i po jakim czasie się rozpoczną i zakończą.
Wykresy CTP obejmują następujące przemiany: austenitu w perlit, aus-tenitu w bainit i ausaus-tenitu w martenzyt oraz wydzielanie ferrytu z ausaus-tenitu (w stalach podeutektoidalnych) i cementytu wtórnego z austenitu (w stalach nadeutektoidalnych).
Wykresy CTP służą do analizy i planowania operacji obróbki cieplnej, w których występuje chłodzenie ciągłe lub izotermiczne austenityzowanych stali.
Wykres CTPi stali podeutektoidalnej zawierającej 0,4%C (gat. 40) przed-stawiono na rys. 7.2a, obok zamieszczono fragment wykresu układu równo-wagi Fe — Fe3C (rys. 7.2b), aby zobrazować ich wzajemne odniesienie.
Na wykresie CTPi stali podeutektoidalnej występują linie poziome (izoter-my) reprezentujące temperatury A1 i A3 odniesione z wykresu na rys. 7.2.b.
Ponadto zaznaczono temperaturę austenityzowania TA dla stali gat. 40, wynoszącą 880°C.
Wyznaczanie wykresu CTPi polega na austenityzowaniu w temperaturze TA pewnej ilości próbek badanej stali. Każdą próbkę kolejno oziębia się do określonej temperatury, przetrzymuje przez pewien czas w tej temperaturze, a następnie chłodzi z dowolną szybkością do temperatury otoczenia.
Rys. 7.2. Wykresy CTPi stali: a) podeutektoidalnej gat. 40 (zawartość węgla 0,40%), c) nadeutektoidalnej gat. N13(zawartość węgla 1,3%). Fragment wykresu równowagi Fe-Fe3C (b)
109
Dla próbek chłodzonych w ten sposób rejestruje się przebieg krzywych chłodzenia, zaznaczając początek i koniec przemian austenitu. Każda wy-znaczona krzywa składa się z następujących trzech odcinków, odpowiadają-cych trzem etapom chłodzenia:
1) wspólnej dla wszystkich krzywych stromej gałęzi, blisko osi temperatur, odpowiadającej bardzo szybkiemu chłodzeniu stali z temperatury TA; 2) odcinka poziomego odpowiadającego izotermicznemu przetrzymywaniu
stali w określonej temperaturze, zwanego przystankiem temperaturowym.
Odległość na osi temperatur tego odcinka od linii A3 lub A1 nazywa się stopniem przechłodzenia;
3) odcinka dowolnego chłodzenia od przystanku izotermicznego do tem-peratury otoczenia, zaznaczonego symbolicznie przez odcinek ze strzałką.
Celem chłodzenia izotermicznego jest uzyskanie przemian austenitu tylko na odcinku przystanku temperatury, dlatego w pierwszym etapie stal jest chłodzona bardzo szybko do temperatury przystanku.
Łącząc ze sobą punkty początku przemiany austenitu, w poszczególnych temperaturach, otrzymujemy linię początku przemiany, a łącząc odpowiednie punkty końca przemiany austenitu - linię końca przemiany. Obie linie o charakterystycznym kształcie litery C, zaznaczone pogrubioną kreską na rys.
7.2a, umieszcza się na układzie współrzędnych temperatura-logarytm czasu.
Linie te wyznaczają pola określonych przemian austenitu w perlit A→P, bainit A→B, (rozdz. 7.3) oraz wydzielanie ferrytu z austenitu A→F. Krzywa ograni-czająca od góry pole A→F dąży asymptotycznie do temperatury A3, podobnie krzywe ograniczające od góry i od dołu pole A→P zbliżają się asymptotycznie do temperatury A1. Wynika to z faktu, że dana przemiana, zachodząca przy chłodzeniu, praktycznie nie może się rozpocząć w temperaturze równowagi A1
lub A3. W temperaturze około 300°C linie C łączą się z poziomą linią MS
odgraniczającą pole przemiany austenitu w martenzyt A→M (rozdz. 7.2).
Dla ułatwienia analizy naniesiono na wykres CTPi kilka krzywych chłodzenia izotermicznego, oznaczając je od I do VI. W praktyce jednak nie stosuje się nanoszenia krzywych na wykres CTPi.
Analizując przemianę austenitu w stali gat. 40 podczas chłodzenia izoter-micznego, na przykład według naniesionej krzywej II, można stwierdzić, że od temperatury TA = 880°C do wejścia w pole A→F, punkt 4, w stali jest 100%
austenitu. Austenit, który nie uległ jeszcze przemianie poniżej temperatury Al
nazywa się austenitem przechłodzonym. Na wykresie CTP zaznacza się go literą A. Następnie na odcinku poziomym 4—5 w polu A→F z austenitu wydziela się ferryt, a na odcinku 5 — 6 w polu A→P, pozostały austenit przemienia się w perlit. Po wyjściu z pola A→P struktura stali składa się z ferrytu i perlitu. Od tego momentu chłodzenie do temperatury otoczenia może być przeprowadzone w dowolny sposób, a uzyskana struktura ferrytycz-no-perlityczna nie ulegnie przy tym zmianie.
111 Chłodzenie stali według krzywej IV, od temperatury TA do wejścia w pole A→B nie wywołuje żadnej zmiany strukturalnej, stal zawiera 100% austenitu.
W polu A→B na odcinku 9 — 10 zachodzi przemiana całego austenitu w bainit dolny. Po wyjściu z pola A→B stal ma strukturę bainitu dolnego (nie ma w niej już austenitu). Struktura ta nie zmienia się przy ochłodzeniu stali do
tem-peratury pokojowej.
Chłodzenie stali według krzywej VI od temperatury TA do punktu przecięcia z linią MS nie powoduje zmiany struktury austenitycznej. W polu A→M na odcinku 11 — 15 zachodzi przemiana austenitu w martenzyt. W pun-kcie 15 leżącym na przecięciu krzywej chłodzenia VI z poziomą linią Mf, przemiana martenzytyczna jest zakończona. Linia prosta MS oznacza tem-peraturę początku przemiany martenzytycznej (ang. „martensite start") zaś linia Mf - temperaturę końca przemiany martenzytycznej (ang. „martensite finish"). Obie proste MS i Mf wyznaczają pole przemiany martenzytycznej, które z prawej strony pozostaje otwarte. Przemiana martenzytyczna postępuje tylko przy ciągłym obniżaniu temperatury, jest to jej cecha charakterystyczna.
Gdyby krzywa chłodzenia w polu A→M zawierała odcinki poziome, jak np.
12—13, to na tych odcinkach, kiedy stal ma stałą temperaturę, nie będzie zachodziła przemiana martenzytyczna, wystąpi zjawisko tzw. stabilizacji aus-tenitu sprawiające, że w strukturze zahartowanej stali będzie więcej ausaus-tenitu szczątkowego (patrz rozdz. 7.3.2) niż w stali chłodzonej w sposób ciągły.
Usystematyzowaną analizę wykresu CTPi stali gat. 40 (rys. 7.2a), przed-stawiono w tablicy 7.1.
W wyniku chłodzenia stali gat. 40 kolejno według krzywych od I do VI uzyskuje się wzrost twardości od 20 do 54 HRC związany z powstającą strukturą.
Chłodzenie stali według krzywych I i II daje strukturę ferrytycz-no-perlityczną, a chłodzenie zgodne z krzywymi III i IV - strukturę bainitycz-ną. Pole przemiany perlitycznej jest oddzielone od pola przemiany bainitycznej graniczną temperaturą, zwaną temperaturą najmniejszej trwałości austenitu.
Wyznacza ją najbliższy osi temperatur punkt pogrubionej linii krzywej początkującej przemiany austenitu przechłodzonego w struktury niemarten-zytyczne. Odległość tego punktu od osi temperatur zwana jest czasem najmniejszej trwałości austenitu. Na wykresie CTPi na rys. 7.2a, temperatura najmniejszej trwałości austenitu wynosi około 550°C, a czas około 0,7 s.
Wykres CTPi stali nadeutektoidalnej jest zbudowany podobnie jak stali podeutektoidalnej. Różnica polega na tym, że zamiast pola A→F występuje pole A→Fe3C, a linię poziomą A3 zastępuje linia Acm. Ponadto ulegają znacznemu przesunięciu w kierunku niższych wartości temperatury MS i Mf. Przykład wykresu CTPi stali o zawartości 1,3%C przedstawiono na rys. 7.2c, a analizę zmian struktury w tabl. 7.2. Zaznaczono tu temperaturę austenityzowania TA
tej stali, wynoszącą 770°C. W temperaturze tej obok austenitu występuje
Tablica 7.1 Przemiany zachodzące w czasie chłodzenia izotermicznego w stali podeutektoidalnej,
wg wykresu CTPi (rys. 7.2a) Pdrobny - jest to perlit, w którym płytki cementytu i ferrytu mają dużą dyspresję, czyli są bardzo
drobne,
Bgórny - powstaje w zakresie temperatur około 550°C—350°C, posiada mikrostrukturę pierzastą, Bdolny - powstaje w zakresie temperatur około 350°C—Ms, posiada mikrostrukturę iglastą, M1 - struktura stali uzyskana w wyniku chłodzenia według krzywej VI oprócz martenzytu
zawiera jeszcze pewną ilość austenitu szczątkowego.
Tablica 7.2 Przemiany zachodzące w czasie chłodzenia izotermicznego
w stali nadeutektoidalnej, wg wykresu CTPi (rys. 7.2c)
Nr krzywej
Uwaga! Symbole stosowane w opisie są takie jak w tabl. 7.1.
113 cementyt wtórny. Analizując, dla przykładu, zmiany struktury według dwóch krzywych chłodzenia otrzymujemy; dla krzywej I —P + Fe3C, a dla krzywej II —M + Fe3C + Asz. Praktyczne wykresy CTPi stali nadeutektoidalnych nie zawierają zaznaczonego pola przemiany A→Fe3C, ponieważ wydzielanie cementytu można pominąć przy zwykle stosowanych szybkościach chło-dzenia.
Wykres CTPi stali eutektoidalnej nie posiada pola A→F, jak w wypadku stali podeutektoidalnej, ani pola A→Fe3C jak dla stali nadeutektoidalnej, pozostałe pola pozostają bez zmian.
Wykresy CTPc
Wykres CTPc posiada te same pola przemian co wykres CTPi, jednakże mają one nieco inny kształt i są przesunięte na osi czasu w prawo względem pól wykresu CTPi.
Wykres CTPc tworzy się chłodząc szereg austenityzowanych próbek danej stali z różnymi szybkościami. Dla każdej próbki rejestruje się przebieg krzywej chłodzenia, początek i koniec kolejnych przemian austenitu. Krzywe chłodze-nia nanosi się na układ współrzędnych temperatura - logarytm czasu, łącząc liniami ciągłymi punkty początku i zakończenia poszczególnych przemian.
Otrzymuje się pola przemian A→P, A→B, A→M i pola wydzielania A→F bądź A→Fe3C. W punktach, w których krzywe chłodzenia przecinają linię końca przemian A→P, A→B i A→F lub A→Fe3C, podane są ilości austenitu (w procentach), który uległ przemianie w danym polu. Ponadto każda krzywa chłodzenia kończy się podaniem twardości HV badanej próbki, zmierzonej po jej ochłodzeniu. Wykres CTPc stali podeutektoidalnej gat. 45 z zaznaczonymi krzywymi chłodzenia ciągłego przedstawiono na rys. 7.3. Podobnie jak na wykresie CTPi zaznaczone są linie poziome A1 i A3 oraz temperatura austenityzowania TA = 880°C
Chłodzenie stali gat. 45, np. według krzywej II, rys. 7.3, z temperatury austenityzowania TA = 880°C do wejścia w pole A→F, nie powoduje żadnych zmian w strukturze austenitu. W polu A→F 40% austenitu przechłodzonego zmienia się w ferryt, a następnie pozostałe 60% w polu A→P ulega przemianie w perlit. Struktura stali 45 chłodzonej wg krzywej II jest więc złożona z 40%
ferrytu i 60% perlitu, jej twardość wynosi 230 HV.
Chłodzenie tej samej stali austenityzowanej w 880°C według krzywej VI powoduje, że austenit przechłodzony w polu A→F tylko w ilości 3% zamienia się w ferryt, następnie w polu A→P 70% austenitu ulega przemianie perlitycz-nej, dalej w polu A→B z austenitu powstaje 17% bainitu, a pozostałe 10%
austenitu przemienia się w martenzyt w polu A→M. Twardość stali chłodzonej z taką szybkością wynosi 378 HV.
Usystematyzowaną analizę wykresu CTPc stali gat. 45 przedstawiono w tabl. 7.3.
Rys. 7.3. Wykres CTPc stali węglowej gat. 45
Tablica 7.3 Przemiany zachodzące w czasie chłodzenia ciągłego
w stali podeutektoidalnej według wykresu CTPc (rys. 7.3)
Uwaga! Symbole stosowane w opisie są takie jak w tabl. 7.1 Pd r = Pdrobny. Nr
krzywej chłodzenia
Przemiany zachodzące w czasie chłodzenia
Twardość po ochłodzeniu stali do temperatury
pokojowej HRC
I A→F, A→P 50% F + 5 0 % P 224
230 232 274 274 378 533 548 550 M + As z
2 % B + 98%(M + Asz) l % F + 1 0 % Pd r+ + 20%B + 69%(M+As z) 3 % F + 70% Pdr+ + 17%B + 10%(M+As z) 10% F + 8 0 % Pdr+ + 5% B + 5% (M+As z) 25% F + 75% Pdr
30% F + 7 0 % P 40% F + 6 0 % P
II A→F, A→P
III A→F, A→P
IV A→F, A→P
V A→F, A→P,
A→B, A→M
VI A→F, A→-P
VII A→F, A→P,
VIII A→B, A→M
IX A→M
Struktura stali po zakończeniu
chłodzenia
115 Na każdym wykresie CTPc jest jedna szczególna krzywa chłodzenia (na rys. 7.3 oznaczona IX), zwana krytyczną szybkością chłodzenia - vkr. Jest to najmniejsza szybkość chłodzenia, przy której austenit ulega przemianie w mar-tenzyt. Szybkość krytyczna wyznaczana jest na podstawie wykresu CTPc przez krzywą chłodzenia przechodząca przez punkt najmniejszej trwałości austenitu (punkt na linii początku rozpadu austenitu najbliższy osi temperatur). Chłodze-nie z szybkościami mChłodze-niejszymi od krytycznej powoduje inne przemiany - perlityczną bądź bainityczną.
Wykresy CTPc dla stali eutektoidalnej i nadeutektoidalnej są bardzo podobne do wykresów CTPc dla stali podeutektoidalnej. Różnica polega na tym, że:
- wykres dla stali eutektoidalnej nie zawiera pola przemiany A→F, - wykres dla stali nadeutektoidalnej ma pole A→Fe3C zamiast A→F, choć często tego pola się nie zaznacza, ze względu na nieznaczną ilość Fe3C wydzielanego z austenitu podczas chłodzenia z temperatury austenityzacji.
Porównując wykres CTPi i CTPc na rys. 7.2 i 7.3, można stwierdzić, że w im niższej temperaturze zachodzi przemiana austenitu (przy chłodzeniu izotermicznym) lub z im większą szybkością chłodzenia (przy chłodzeniu ciągłym), tym większe uzyskujemy twardości stali (twardości umieszczono po prawej stronie wykresów). Decydujący wpływ na twardość stali, a także inne właściwości, mają przemiany fazowe zachodzące w czasie chłodzenia. Są to przemiany: perlityczna, bainityczna i martenzytyczna.
Przemiana perlityczna nie jest celem hartowania, w odróżnieniu od dwóch pozostałych. Jednakże występuje też w warunkach odbiegających od stanu równowagi, gdy wzrasta szybkość chłodzenia stali. Przemiana perlityczna przebiega wówczas tym szybciej, im jest większe przechłodzenie, albo w tym niższej temperaturze, im większa jest szybkość chłodzenia, ale w nie niższej temperaturze niż 550°C, kiedy to dyfuzja atomów żelaza ulega zamrożeniu (temperatura najmniejszej trwałości austenitu). Jest to przemiana dyfuzyjna, a to oznacza zależność od temperatury. W temperaturach bliższych A1
otrzymuje się strukturę perlitu grubego zbudowanego z grubych płytek rozróżnialnych przy powiększeniach stosowanych w mikroskopii świetlnej (fot. 7.1). W temperaturach bliższych 550°C powstaje perlit drobny, zbudowany z drobnych płytek, nierozróżnialnych w mikroskopie świetlnym (fot. 7.2).
Ponieważ tworzy się on w warunkach nierównowagi, także ilość węgla w nim zawarta odbiega od składu eutektoidu. Określa się go mianem "quasi-perlit".
Stopień dyspersji perlitu wpływa na jego właściwości mechaniczne. Np.
twardość waha się w granicach od 200 HB dla perlitu grubego do 400 HB dla drobnego.