Z E S Z Y T Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ś L Ą S K I E J
25 M ech an ik a 7 ,QRn
E. Olewicz i E. R u d y
K atedra M eta lo zn a w stw a
BADANIE K IN E TY K I O D PU SZCZA NIA EU TEKTOIDALNEJ STALI W ĘGLOW EJ NA M IK R O SK O PIE ELEKTRONOW YM
STRESZC ZEN IE
W pracy p rzed sta w io n o w y n ik i badań stru k tu r odpuszczonych s t a li w ę g lo w e j, o b serw o w a n y ch za pom ocą m ik rosk op u elek tro n o w eg o . B adania p rzeprow adzono na próbkach zah a rto w a n y ch z d w óch tem p eratu r 1000 °C 780 °C i odpu szczan ych w z a k resie tem p era tu r od 100 °C -5- 600 °C przy zm ien n ych czasach. S tw ierd zo n o w p ły w ty ch p a ra m etró w n a zm ian y stru k tu ra ln e oraz zao b serw o w a n o p oczątek p rocesów w y d z ie la n ia i k o a g u la cji cem en ty tu . U ja w n io n o ta k że h am u jący w p ły w tem p eratu ry h a rto w a n ia na p rzeb ieg odpuszczania.
1. Wstęp
Z jaw iska zm ian s tru k tu ra ln y c h p rzy odpuszczaniu sta li zah arto w a
nych polegają głów nie na procesach w ydzieleń d ysp ersy jn y ch i dlatego tru d n e są do o bserw acji za pom ocą m ikroskopu optycznego. Odnosi się to szczególnie do niskiego i średniego zak resu odpuszczania, gdzie zacho
dzące zm iany zostały stw ierdzone m etodam i p ośrednim i przez pom iar w ielkości p a ra m e tru sieci p rzestrzen n ej lu b naprężeń, w zględnie zm ian w łasności fizycznych, czy m echanicznych. Jak k o lw iek w ielkości te pod w pływ em odpuszczania u leg a ją znacznym zm ianom , to jed n ak obraz m i
kroskopow y nie doznaje w pew nych zakresach te m p e ra tu r odpuszczania praw ie żadnych zm ian. Z jaw isko to bardzo w y raźn ie daje się zaznaczyć w stalach stopow ych, gdzie ig lasty c h a ra k te r s tr u k tu ry m arten zyty czn ej pozostaje przez cały zakres odpuszczania, a w p ły w tego zabiegu cieplnego zaznacza się ty lk o zm ianam i różnych w łasności np. spadkiem tw ardości.
Dla tego ro dzaju sta li określenia s tr u k tu r tro o sty t, sorbit, p raktycznie tra c ą znaczenie, bo obraz na m ikroskopie optycznym nie posiada c h a ra k tery sty c z n y c h cech zw iązanych z ty m i pojęciam i.
P oznanie k in ety k i odpuszczania sta li zah arto w an y ch m a znaczenie za
rów no teoretyczne jak i p raktyczne. Ze w zględu na subm ikroskopow y c h a ra k te r zjaw isk zachodzących p rzy odpuszczaniu stali w ydaje się celo
w y m b adanie ich za pom ocą m ikroskopu elektronow ego, k tó ry góruje nad m ikroskopem optycznym znacznie w iększą zdolnością rozdzielczą.
2 2 E. O l e w i c z i E. R u d y
Celem tej pracy było stw ierdzenie p rak ty czn ej przydatności m ik ro skopu elektronow ego do obserw acji zjaw isk w ydzieleniow ych w czasie odpuszczania. Zawodność bow iem urządzenia w ty ch badaniach może się okazać nie ze w zględu na jego( zasadę działania, i konstruk cję, lecz zasad
niczym czynnikiem w ty m p rzy pad k u może być w ykonanie p re p a ra tu — repliki, któ ra nie zatraciłab y szczegółów stru k tu ry .
B adania k in ety k i odpuszczania postanow iono przeprow adzić na eutek- toidalnej stali w ęglow ej, poniew aż c h a ra k te r przem ian przy odpuszczaniu tej stali był w ielokrotnie b adany m etodam i pośrednim i i na ten tem at istn ieje w' lite ra tu rz e technicznej szereg t orii. B adanie tego zjaw iska za pom ocą m ikroskopu elektronow ego m iało na celu w izualne ujaw nienie w ydzieleń, k tó re na m ikroskopie optycznym nie są dostrzegalne oraz przeprow adzenie o bserw acji ich zmian.
2. P la n badań
Do bad ań zm ian s tru k tu ra ln y c h zachodzących przy odpuszczaniu użyto stali narzędziow ej w ęglow ej o oznaczeniu Ń 8E wg PN . A naliza che
m iczna w ykazała, że zaw artość w ęgla w tej stali w ynosiła 0,82%, zaś po
zostałe sk ładn iki m ieściły się w to leran cjach przew idzianych norm am i.
C elem przeprow adzenia obserw acji zjaw isk, zachodzących przy od
puszczaniu p rzy jęto dla próbek z tej stali n astęp ujące p a ra m e try obróbki cieplnej: h arto w an ie próbek z dw óch te m p e ra tu r 1000 °C i 780 °C oraz odpuszczanie w zakresie od 100 °C -r- 600 °C przy zm iennych czasach od 15 H- 120 m in ut. Szczegółowy p lan obróbki cieplnej przedstaw ia się na
stępująco:
1. harto w an ie pró b ek z w ysokiej te m p e ra tu ry — 1000 °C i odpusz
czanie w zakresie od 100 °C -r- 600 °C w odstępach co 100 °C, przy stały m czasie 20 m inut.
2. H arto w anie pró bek z w ysokiej te m p e ra tu ry — 1000 °C i odpusz
czanie w 600 °C w zm iennych czasach od 15 -4- 120 m in.
3. H artow anie z te m p e ra tu ry 780 °C i odpuszczanie w zakresie od 100 °C -r- 600 °C w odstępach co 50 °C p rzy stały m czasie 20 m inut.
4. H arto w an ie z te m p e ra tu ry 780 °C i odpuszczanie w zakresie od 100 °C -5- 600 °C w odstępach co 100 °C, w stały m czasie 120 m inut.
Oznaczenie pró b ek oraz zestaw ienie p aram etró w obróbki cieplnej po
daje tablica 1.
P rz y doborze ty ch p a ra m etró w kierow ano się następującym i w zglę
dam i: harto w an ie z w ysokiej te m p e ra tu ry m iało na celu uzyskanie d u żych i w y raźn y ch igieł m arten z y tu , w któ ry ch późniejsze zm iany zacho
dzące przy odpuszczaniu b y łyb y łatw o dostrzegalne. Jednakow oż h a rto w anie z w ysokiej te m p e ra tu ry nie m a zastosow ania praktycznego i z tych względów przeprow adzono h arto w an ie drug iej serii próbek z w łaściw ej te m p e ra tu ry 780 °C.
Zm ienność p a ra m etró w obróbki cieplnej przygotow anych do badań próbek m iała na celu uzyskanie różnych w arian tó w stru k tu ra ln y c h celem możności ich porów nyw ania i prześledzenia zmian.
B a d a n ie k i n e t y k i o d p u s z c z a n ia e u t e k t o n i c z n e j s ta li w ę g l o w e j 2-3
T a b l i c a 1
O znaczenie próbek, p aram etry obróbki ciep ln ej oraz tw a rd o ść po obróbce
Lp. N r próbki
T em perat.
h artow an ia
°C
T em perat.
od p u szcza
nia
°C
Czas m in.
T w ardość
U w a g i
HRC H B
1 A. 0 1000 r ___ 62 685
2 A. 1.2 1000 100 20 66 760
3 A. 2 .2 1000 200 20 65 740
4 A. 3 .2 1000 300 20 54 540
5 A. 4 .2 1000 400 20 47 444
6 A. 5 .2 1000 500 20 40 370
7 A. 6. 2 1000 600 20 — 293
8 A. 6. 1 1000 600 15 — 321
9 A. 6 .3 1000 600 30 — 311
10 A. 6 .6 1000 600 60 — 300
11 A. 6. 12 1000 600 120 — 285
12 B. 0 780 — — 66 760
13 B. 1. 2 780 100 20 67 780
14 B. 1. X . 2 780 150 20 62 685
15 B. 2 .2 780 200 20 62 685
16 B. 2. X . 2 780 250 20 57 620
17 B. 3 .2 780 300 20 51 495
18 B. 3. X . 2 780 350 20 46 435
19 B. 4 .2 780 400 20 46 435
20 B. 4. X . 2 780 450 20 40 370
21 B. 5. 2 780 500 20 39 360
22 B. 6 .2 780 600 20 30 301
23 B. 1. 12 780 100 120 64 715
24 B. 2. 12 780 200 120 50 639
25 B. 3. 12 780 300 120 55 525
26 B. 4. 12 780 400 120 47 444
27 B. 5. 12 780 500 120 37 350
28 B. 6. 12 780 600 120 — 270
3. Przygotowanie próbek i replik
Po przeprow adzeniu obróbki cieplnej z prób ek w ykonano zgłady spo
sobem m echanicznym , szlifując je uprzednio na szlifierce m agnetycznej i p ap ierach ściernych. N astępnie zgłady polerow anie m echanicznie na ta r czy filcow ej zw ilżanej zaw iesiną A120 3. Po w ypolerow aniu, zełady tra wiono w 2% alkoholow ym roztw orze N H 0 3 do obserw acji s tru k tu ry pod m ikroskopem optycznym . Po stw ierd zen iu przy datn ości s tru k tu ry do d al
szych b ad ań na m ikroskopie elektronow ym , zgłady polerow ano ponow nie bardzo sta ra n n ie i poddaw ano odpow iedniem u tra w ie n iu celem w ykona-
24 E. O l e w i c z i E. R u d y
nia replik. P ró b k i w zależności od obróbki cieplnej i ro d zaju s tru k tu ry traw iono jed n y m z trzech n astęp ujący ch odczynników :
1. 4% roztw ór kw asu pikrynow ego w alkoholu m etylow ym (Pikral), 2. 2% roztw ór kw asu azotowego w alkoholu n-am ylow ym (Nital), 3. R oztw ór c h lo rk u żelazowego i kw asu solnego w alkoholu m ety lo
w ym (1 g FeC l3 + 2 cm 3 HC1 + 98 cm 3 CH3OH).
Z ta k przygotow anych zgładów w ykonano rep lik i m ow italow e oraz m atrycow e węglowe, używ ając kollodium jako m atrycy. Zw iększenie kon
tra s tu w obu rodzajach rep lik uzyskiw ano przez cieniow anie chrom em pod k ątem 30°. Tak przygotow ane p re p a ra ty poddano obserw acjom pod m ikroskopem elektronow ym .
4. W yniki badań
S tru k tu ry próbek zahartow anych z te m p e ra tu ry 1000 °C i odpuszcza
nych w zakresie od 100 -r- 600 °C przy stały m czasie 20 m in u t obserw o
w ane na m ikroskopie elektron o w y m p rzed staw iają się następująco:
P ró b k i zahartow ane i nieodpuszczone posiadają gruboziarn istą s tru k tu rę m arten zy ty czn ą z w y raźny m i dużym i u tw o ram i iglastym i. M iejscam i dostrzega się nieznaczną ilość a u ste n itu szczątkowego. S tru k tu ra ta pod m ikroskopem elektronow ym w ykazuje lekkie zm atow ienie m arten zy tu z zaznaczającym się p ły tk im reliefem . W igłach m a rte n z y tu w y stępują podłużne pasm a leżące w osi geom etrycznej igły i posiadające niekiedy ciem ną linię przypom inającą m ikropęknięcie. Są to tzw. linie sym etrycz
nego podziału igły m arten z y tu — rys. 1 [1], Ja sn y u tó r iglasty o gładkiej pow ierzchni i poszarpanej budow ie w yraźnie odcinający się od osnowy m arten zy ty czn ej jest au sten item szczątkow ym .
Odpuszczanie próbek w zakresie niskich tem p e ra tu r, m imo że nie zm ienia obrazu s tr u k tu ry oglądanej pod m ikroskopem optycznym , powo
d u je w yraźne zm iany s tru k tu ra ln e dostrzegalne pod m ikroskopem elek
tronow ym . P ró b k i odpuszczane w 100 °C w yk azują nadal iglastą budowę, lecz na osnowie i igłach m a rte n z y tu zaobserw ow ano w zrost zm atow ienia i d robne zgrubienia — rys. 2. Z grubienia te szczególnie w yraźnie w y stę
p u ją w zdłuż kraw ęd zi igieł m a rte n z y tu oraz linii ich sym etrycznego po
działu. Odpuszczanie w tej te m p e ra tu rz e zwiększa podatność stru k tu ry na traw ien ie, na co w skazuje w zrost reliefu pow ierzchni.
W zrost te m p e ra tu ry odpuszczania do 200 °C pow oduje, że s tru k tu ra zatraca nieznacznie iglastość budow y, a w ystępujące zgrubienia nadal w zrastają. O dm ienny c h a ra k te r i w zrost intensyw ności przem ian stru k tu ra ln y c h pojaw ia się dopiero przy odpuszczaniu w zakresie te m p e ra tu r ok. 300 °C. Jak ko lw iek s tru k tu ra zachow uje n adal u k ład iglasty to jednak na kraw ędziach igieł pojaw iają się w yraźne p ły tkow e w ydzielenia powo
du jące zgrubienia i tw orzące jasne, p rzeryw an e pasm a. W całym polu w idzenia dostrzega się ch arak te ry sty c z n ą p ły tk o w atą budowę s tru k tu ry — rys. 3. U tw ory płytk o w e tw orzą się zarów no w igłach jak i w po
zostałych obszarach, przy czym w yraźnie zaznacza się rgżnica wielkości w ydzieleń w' igłach — m niejsze, a poza nim i — większe. W ydzielenia te pojaw iajy się także na linii sym etrycznego podziału igieł m artenzy tu.
B a d a n ie k i n e t y k i o d p u s z c z a n ia e u t e k t o n i c z n e j s t a li w ę g l o w e j 25
D alszy w zrost te m p e ra tu ry odpuszczania w yw ołuje w zrastające n a grom adzenie p ły tk o w y ch w ydzieleń, przy: rów noczesnym ich dzieleniu się na części m niejsze o k ształtach bardziej zw artych . Ilu s tru je to rys. 4, k tó ry p rzed staw ia s tr u k tu rę p ró b ki odpuszczanej w 400 °C. P ły tk i upo
d ab n iają się do łusek, tk w iących w jednorodnej osnowie.
O dpuszczanie w te m p e ra tu rz e 500 °C pow oduje now ą c h a ra k te ry sty c z n ą zm ianę s tru k tu ry . W ielkość w ydzieleń w y d atn ie się zm niejsza na sk u te k ich koagulacji.
W ystępujące jeszcze m iejscam i u tw o ry pasm ow e, u leg ają zw ężeniu a cząstki o narożach o stry ch — zao k rąg leniu — rys. 5. P o jaw iają się także d robne nieliczne w ydzielenia kulkow e, a osnowa p rzy b iera postać bardziej jednorodną. Zachow ane jeszcze w s tru k tu rz e w ydzielenia po
dłużne w y stę p u ją n a g ranicach nie istniejący ch już igieł m arten z y tu . , Podw yższenie te m p e ra tu ry odpuszczania do 600 °C pow oduje już tylko dalszą koagulację w ydzielonych cząstek. W ydzielenia podłużne u leg ają podziałow i na cząstki o k sz ta łta c h globulitycznych, z zachow aniem jed n ak n iejedn oro d n ych ugrupo w ań. Tego ro d zaju s tru k tu rę przedstaw ia rys. 6, na k tó ry m w y stę p u ją bardzo w y raźn ie s tre fy zgrupow ań cząstek d ro b nych i gru by ch . O dgraniczona środkow a stre fa d ro bn ych w ęglików po
w stała w m iejscu istniejącej po zah arto w an iu igły m arten z y tu , zachow u
jąc w te n sposób ig lasty c h a ra k te r stru k tu ry .
O pisane dotychczas s tru k tu ry otrzym ano w w yn ik u odpuszczania przy stosunkow o k ró tk im czasie 20 m in u t. C elem prześledzenia zmian, zachodzących w czasie, zbadano szereg prób ek zahartow any ch i odpusz
czonych w stałej te m p e ra tu rz e 600 °C, lecz przy zm iennych czasach od k ijk u m in u t do 2 godzin.
P rz y odpuszczaniu w k ró tk ich czasach (kilku do k ilk u n a stu m inut) zaobserw ow ano rów noczesne w ystępow anie zjaw iska tw orzenia się w y dzieleń u tw o ró w p ły tk o w y ch oraz koagulację w ydzielonych cząstek. To zjaw isko c h a ra k te ry z u je rys. 7, p rzed staw iający s tru k tu rę p róbki po od
puszczaniu w te m p e ra tu rz e 600 °C i czasie 15 m in u t. W s tru k tu rz e u w y d a tn ia ją się u tw o ry p ły tk o w e oraz skoagulow ane drobne cząstki. C h arak tery sty c z n e jest, że w ydzielenia pły tk o w e w y stę p u ją n a granicach po
p rzednich igieł, n ato m iast m iędzy nim i p o jaw iają się skoagulow ane dro b
ne cząstki cem en ty tu . P rzedłu żen ie czasu odpuszczania zm ienia ilościowy udział w s tru k tu rz e w y dzieleń pły tko w y ch na korzyść cem entytu. Ju ż po 30 m in. odpuszczania, w ydzielenia pły tk ow e zn ikają w znacznym stopniu, a w ich m iejsce zw iększa się ilość w ydzieleń c e m e n ty tu — rys. 8.
Z dalszych o bserw acji w ynika, że całkow ity zanik w ydzieleń p ły tk o w ych, k tó re p rzekształcają się w cząstki c e m e n ty tu n a stęp u je po ok. 1 go
dzinn ym odpuszczaniu.
Odpuszczanie przy jeszcze dłuższych czasach nie w nosi już zasadni
czych zm ian w* stru k tu rz e , w pływ ając ty lko na rozrost i koagulację ce
m e n ty tu . R ysunek 9 przedstaw ia s tru k tu rę p róbki odpuszczanej przez 2 godziny w te m p e ra tu rz e 600 °C, gdzie na tle ferry ty c z n ej osnowy w y
stę p u ją w ydzielenia cem en ty tu różnej w ielkości i kształtu , przy czym s tr u k tu ra zatraca c h a ra k te r iglastej budow y. Dłuższe odpuszczanie przy tej te m p e ra tu rz e pow oduje już tylk o przechodzenie cem e n ty tu do w y
raźnej p ostaci globulitycznej.
26 E. O le w ic z i £. R u d y
P rzeprow adzane obserw acje k in ety k i odpuszczania na próbkach h a r
tow anych w tem p. 1000 °C m iały na celu u łatw ienie poznania ogólnego c h a ra k te ru tego zjaw iska. S przy jała tem u bow iem gruboziarnistość m ar- ten zy tu. Poniew aż jed n a k właściw'a te m p e ra tu ra harto w an ia tej stali jest niższa, przeprow adzono zasadniczą serię badań na próbkach h artow an ych w tem p e ra tu rz e 780 °C, a następnie odpuszczanych w różnych w arunkach.
B adania na m ikroskopie optycznym prób ek zahartow any ch w tem p.
780 °C w ykazały d robnoiglastą s tru k tu rę m arten zy ty czn ą m iejscam i przypom in ającą m arten z y t bezpostaciow y. S tru k tu rę tę obserw ow aną pod m ikroskopem elektronow ym , przedstaw ia rys. 10, na k tó ry m widoczne są m iejscam i w y stępujące igły m a rte n z y tu na zm atow anym tle.
Ciem na siatka rozgranicza poszczególne ziarna i niezupełnie w y kształcone u tw o ry iglaste m arten z y tu .
W pływ odpuszczania zaznacza się ju ż w zakresie te m p e ra tu r 100 do 150 °C. Ciem na siatk a ulega jak b y p o gru b ien iu oraz m iejscam i p rzerw a
niu, jednakow oż n adal zachow uje się iglasta budow a m arten zy tu . Osnowa m arten zy ty czn a doznaje w yraźniejszego zm atow ania, przy czym poja
w iają się na niej zgubienia nad ające pow ierzchni c h a ra k te r chropow a
tości — rys. 11.
Ze w zrostem te m p e ra tu ry odpuszczania chropow atość pow ierzchni zw iększa się aż do te m p e ra tu ry ok. 250 °C, k ied y w s tru k tu rz e pojaw iają się płytkow e w ydzielenia nakład ające się częściowo na siebie. Z jaw iska te potęgu ją się przy odpuszczaniu w tem p e ra tu rz e 300 — 350 °C, a stru k tu ra doznaje znacznej zm iany. C harak tery sty czn ą cechą odpuszczania w ty m zakresie te m p e ra tu r je s t w ystępow anie płaskich, jasnych, nietraw iący ch się p łytek o poszarpanych kraw ędziach. N atom iast obszary przylegające do p ły te k m ają dużą podatność na działanie odczynnika traw iącego, tw o
rząc czarne, n iere g u la rn e otoczki p ły te k zm iennej szerokości — rys. 12.
P rz y dalszym w zroście te m p e ra tu r odpuszczania w spom niane p ły tk i doznają jak b y „kurczenia się” przy zachow aniu jed n ak iglastego układu charak tery sty czn eg o dla s tru k tu ry m arten zy tyczn ej. S tru k tu rę tego ro dzaju przedstaw ia rys. 13, pró bk i odpuszczanej w' te m p e ra tu rz e 400 °C w czasie 2-ch godzin.
W zrost te m p e ra tu ry odpuszczania o 50 °C pow oduje obok zjaw iska zw ężania się w ydzieleń pły tkow ych w ystępow anie bardzo drobnych i nie
licznych k u listy ch w ydzieleń cem en tytu .
Rów nocześnie p rzy odpuszczaniu w tej tem p eratu rze rozpoczyna się dzielenie pły tek, któ re w yk azu ją ten d encję do koagulacji — rys. 14.
W yraźne w ydzielenia cząstek cem en ty tu p ojaw iają się dopiero przy odpuszczaniu w te m p e ra tu rz e 500 °C. S tru k tu rę prób ki odpuszczanej w tej te m p e ra tu rz e przez 2 godziny p rzedstaw ia ry su n e k 15. O bserw uje się tu praw ie całkow ity zanik utw orów płytkow ych, k tó ry ch m iejsce zajm ują w ydzielenia cem e n ty tu o> różnej w ielkości i kształcie. C harakterysty czne jest, że w ydzielenia ce m e n ty tu w igłach p om artenzytycznych są znacznie drobniejsze, aniżeli w pozostałym obszarze. Dalszą cechą c h a ra k te ry styczną są skupienia c em en ty tu w m iejscach odpow iadających poprzed
nim granicom igieł m arten z y tu .
Odpuszczanie w w yższych zakresach te m p e ra tu r nie u jaw ń ia już żad
nych procesów w ydzieleniow ych, a zachodzi jedynie koagulacja cząstek.
B a d a n ie k i n e t y k i o d p u s z c z a n ia e u t e k t o n i c z n e j s t a li w ę g l o w e j 27
R ysu n ek 16 p rzed staw ia s tru k tu rę p ró bk i odpuszczanej w 600 °C przez 20 m inu t, gdzie w osnowie ferry ty c z n ej w y stę p u ją w ydzielenia ce
m e n ty tu różnej w ielkości oraz k ształtu , od drobnych, globulitvcznych do pasm ow ych, w ydłużonych.
A nalogiczną serię bad ań przeprow adzono na próbkach h arto w an y ch z tej sam ej te m p e ra tu ry — 780 °C, lecz odpuszczanych przez 2 godziny.
S tru k tu ry te na ogół nie odbiegają w yglądem od opisanych poprzednio, z ty m jednak, że różnice pom iędzy s tru k tu ra m i pró bek odpuszczanych p rzy sąsiednich przedziałach te m p e ra tu r w y k azują w iększe zróżnicow anie aniżeli w czasie 20 m inu t.
5. Dyskusja wyników
P rzeprow adzone b adania i ich w yniki pozw alają na w yciągnięcie szeregu w niosków odnośnie p rzy d atn o ści m ikroskopu elektronow ego do obserw acji s tr u k tu r ulepszanych cieplnie i śledzenia zjaw isk jak ie zacho
dzą w czasie h arto w a n ia i odpuszczania stali.
O trzym ane w yniki najlep iej jest rozpatrzyć w zestaw ieniu s tr u k tu r h a rto w a n y c h z różnych te m p e ra tu r, a także z uw zględnieniem tem p e ra tu ry i czasów odpuszczania. J u ż bow iem s tr u k tu ry h arto w an e z różnych te m p e ra tu r — 1000 i 780 °C w y k azu ją dosadne różnice. S tru k tu ra prób ki h arto w a n e j z w ysokiej te m p e ra tu ry n a m ikroskopie elek tro no w ym u jaw nia nie ty lk o budow ę iglastą, ale także szczegóły w budow ie sam ej igły.
Igła m a rte n z y tu nie je s t tw o rem jednorodnym , lecz składa się jak b y z p a
kietów', przeb iegający ch rów nolegle do osi sy m etrii igły. P rzebieg ten u jaw n ia się szczególnie w yraźn ie w p róbkach h arto w a n y c h z w ysokich te m p e ra tu r i je s t w idoczny na rys. 1, 2, 3. W osi sy m e trii igły widoczne je st pasm o, zaw ierające często jak g d y b y m ikro ry sę. W lite ra tu rz e tech
nicznej szczegół te n często o k reślan y jest jako „linia sym etrycznego po
d ziału ” igły m a rte n z y tu [1], Je j pow staw anie zw iązane jest z k in ety k ą p rzem iany m arten zy ty czn ej. L inie symetrycznego: podziału igły widoczne są jed ynie w pró bkach h a rto w a n y c h z w ysokiej te m p e ra tu ry , co zw iązane je s t z w ielkością n ap rę ż e ń w y stęp u jący ch w czasie tej przem iany.
Obok igły m arten zy ty czn ej widocznej na ry s. 1 dostrzega się przyle
gający do niej jasn y u tw ó r iglasty a u ste n itu szczątkow ego, k tó ry łatw o d aje się odróżnić od s tr u k tu ry m arten zy ty czn ej.
A u sten it jest bardziej odporny n a działanie czynnika traw iącego, ani
żeli m arten z y t, stąd pow ierzchnia ziarna a u ste n itu szczątkow ego jest jasn a i gładka, podczas gdy s tr u k tu ra m a rte n z y tu ulega znacznem u nad- tra w ie n iu i na m ikroskopie elek tro n ow ym p rzed staw ia się jako po
w ierzchn ia zm atow ana. S ilniejszem u n a d tra w ien iu u leg ają nato m iast g ra nice z ia rn s tr u k tu ry m arten zy ty czn ej — rys. 10. J e st to w ynikiem nie
doskonałej budow y granic ziarn i przez to zm niejszonej odporności na dzia
łan ie czynnika traw iącego. A ktyw ność odczynnika zależy od jego rodzaju;
granice z ia rn najłagodniej a ta k u je ro ztw ór H N 0 3 w alkoholu n-anylo- w ym , nato m iast najenergiczniej roztw ńr FeC l3 i HC1, co m iało m iejsce w opisanym przypadku.
28 £ . O le w ic z i E. R u d y
Odpuszczanie w niskim zakresie te m p e ra tu r nie w yw ołuje na ogół zm ian s tru k tu ra ln y c h dostrzegalnych na m ikroskopie optycznym . Inaczej spraw a przedstaw ia się przy badaniu ty ch zjaw isk na m ikroskopie elek tronow ym . W ty m przy p ad k u podgrzew anie zahartow anej próbki do tem p e ra tu r 100 -r- 150 °C pow oduje w zrost zm atow ienia obserw ow anej po
w ierzchni i jej sfałdow'anie, chropow atość oraz pogrubienie granic igieł m a rte n z y tu — rys. 2 i 11. Z jaw isko to m a w iele przyczyn spośród k tó ry ch jako n ajw ażniejsze należy w ym ienić:
1. przem ianę m a rte n z y tu tetrago n alneg o w kubiczny i zw iązane z ty m efek ty objętościow e oraz spadek odporności na działanie odczynnika traw iącego,
2. spadek naprężeń,
3. w ydzielenie w ęgla z m arten z y tu tetrag onalnego i tw orzenia się subm ikroskopow ych cząstek F exC, (Fe2C) o budow ie heksagonal
nej, zw anego w ęglikiem s (epsilon) na sk u tek podobieństw'a do fazy e (epsilon) u k ład u żelazo-azot.
Jak k o lw iek spraw a ta nie została w p ełn i w yjaśniona, to jed n ak pod
kreślić należy fakt, że na m ikroskopie elektronow ym w y stęp u ją w yraźne różnice m iędzy s tru k tu rą nieodpuszczoną a odpuszczoną we w spom nianym zakresie tem p e ra tu r.
Podw yższenie te m p e ra tu ry odpuszczania do 300 °C znacznie wzm aga efek t zm ian s tru k tu ra ln y c h . Z m iany te polegają na w ystępow aniu cha
rak tery sty czn y ch , płytko w ych w ydzieleń, rys. 3, 4, 12, w'yraźnie odcina
jących się od tła. P osiad ają one bardzo dużą odporność na działanie od
czynnika traw iącego i na obrazie elektronow ym w y stęp ują jako jasne, gładkie płaszczyzny o n iere g u la rn y ch k ształtach. P ły tk i te tw orzą się z w ęglika £ (epsilon) poprzez fazę pośrednią o przybliżonym składzie Fe2o C9, aby w końcu przejść w1 n o rm alny w ęglik żelaza Fe3C, zw'any cem entytem [3], [5], [8], [9], P rzem iana ta nie jest zwią
zana z określoną tem p e ra tu rą , lecz przebiega w jej szerszym zakresie i zaczyna się już w te m p e ra tu rz e ok. 250 °C, a kończy w ponad 500 °C.
W ydzielenie w ęglika e (epsilon) także nie m a określonej górnej granicy te m p e ra tu r. Oba te zjaw iska w ydzielanie się w ęglika i późniejszego fo r
m ow ania p ły te k w żajem nie na siebie zachodzą i m ają m iejsce w poprzed
nio określonym zakresie tem p e ra tu r. Może ty lko wspom nieć należy, że najintensyw n iejsze form ow anie się p ły tek w ęglika żelaza zachodzi w w ąskim zakresie te m p e ra tu r p rzy 350 °C. To zjaw isko dosadniej ilu s tru ją g ru p y ry su n k ó w 3, 4, 5 oraz rys. 12, 13 i 14. Z aaw ansow anie p rze
m iany jest oczywiście zależne nie tylko od tem p e ra tu ry , lecz także od czasu w ygrzew ania i jego w pływ u w y d atn ia się rów nież na w ym ienio
nych rysunkach. Niższa te m p e ra tu ra i dłuższy czas pow oduje podobny efek t „kurczenia się” p ły te k jak odpuszczanie w te m p e ra tu rz e wyższej, a w krótszy m czasie.
W św ietle o trzym any ch w yników m ożna obecnie łatw o w yjaśnić w y
gląd obrazu s tru k tu ry tro osty ty cznej na m ikroskopie optycznym . W y
m iary uform ow anych p ły te k oraz w ytraw ionej wokół nich osnowy, leżą znacznie poniżej zdolności rozdzielczej m ikroskopu optycznego i dlatego obraz s tru k tu ry przedstaw ia się jako jednolite ciem ne tło bez jakichkol
w iek szczegółów.
B a d a n ie k i n e t y k i o d p u s z c z a n ia e u te k t o n i c z n e j s t a li w ę g l o w e j 29
W ysokie odpuszczanie w te m p e ra tu ra c h pow yżej 500 °C w yw ołuje w początkow ej fazie rów noczesne nałożenie się trzech procesów : w ydzie
lan ie się w ęglika s (epsilon), form ow anie się p ły te k i koagulację cem en
ty tu . Tego ro d zaju s tr u k tu ra jest w idoczna na rys. 7, o trzy m an a z pró bki odpuszczanej w' 600 °C przez 15 m in u t. Dalsze przedłużenie czasu powo
d u je ty lk o koagulację cem en ty tu , k tó ry zależnie od te m p e ra tu ry i czasu odpuszczania p rz y jm u je postać w iększych lub m niejszych u tw o rów rys. 6, 8, 9. T e m p era tu ra odpuszczania w a ru n k u je jed n a k jednorodność rozm iesz
czenia cząstek cem en ty tu . Ilu s tru ją to ry su n k i 9, 15 i 16. N ajbardziej c h a ra k te ry sty c z n ą je s t s tr u k tu ra p rób k i odpuszczanej w tem p. 500 °C — rys. 15, gdzie zachow ała się budow a iglasta i n iejednorodna w ielkość w y dzieleń c e m e n ty tu s tr u k tu ry sorbitycznej, m im o przedłużenia czasu od
puszczania do dw óch godzin. W ynika stąd, że w ygląd i c h a ra k te r s tru k tu ry sorbitycznej jest uzależniony od szybkości procesów dyfuzyjnych.
6. Wnioski
P rzeprow adzone bad an ia zjaw isk zachodzących przy odpuszczaniu stali w ęglow ych w ykazały, że zastosow anie m ikroskopu elektronow ego do obserw acji zm ian s tru k tu ra ln y c h p rzy odpuszczaniu posiada pełne uza
sadnienie i um ożliw ia śledzenie zm ian n iedostrzegalnych za pom ocą m i
kroskopu optycznego.
W szczególności b ad ania w ykazały, że:
1. w zakresie niskich te m p e ra tu r odpuszczania w s tru k tu rz e n a stę p u je pogru bien ie granic faz i ziarn oraz w zrost chropow atości osnow y w w y n ik u rozpadu m arten z y tu tetrag o n aln eg o i początku w ydzielania się w ęglika £ (epsilon).
2. W zakresie śred nich te m p e ra tu r odpuszczania w ęglik przekształca się w pły tko w e u tw o ry o n iere g u la rn y ch kształtach i dużej od
porności na działanie odczynników traw iących. Te w ydzielenia płytkow e są przejściow ą fazą złożonego w ęglika żelaza F e 2oC9.
3. W ydzielenia p łytkow e posiadają ciem ną otoczkę, k tó ra pow staje w w y n iku podatności osnowy na traw ienie. Subm ikroskopow a w ielkość w ydzieleń płytk o w ych i ciem nych otoczek daje przy obser
w acji na m ikroskopie optycznym obraz s tru k tu ry zw. troostytem . 4. W te m p e ra tu ra c h pow yżej 350 °C w ydzielenia płytkow e ulegają
podziałow i i koagulacji oraz p ow stają pierw sze d y sp ersy jn e cząstki cem en ty tu .
5. W ydzielenia płytkow e posiadają różną wielkość. C h arak tery sty cz
n y m jest, że ich skupienia w y stę p u ją na g ranicach ziarn oraz linii sym etrycznego podziału igły m arten zytycznej.
6. W początkow ej fazie, p rzy odpuszczaniu w w ysokim zakresie te m p e ra tu r zjaw iska w ydzielania się w ęglika s (epsilon), p ły te k i koagulacji zachodzą jednocześnie; dalsze przedłużenie czasu po
w o d u je jedynie koagulację w ydzielonych cząstek.
7. Rozm ieszczenie cząstek w s tru k tu rz e sorbitycznej jest uzależnione od te m p e ra tu ry i czasu odpuszczania; przy niższych tem p e ra tu ra c h i kró tszy ch czasach s tru k tu ra sorbityczna zachow uje ch a ra k te r iglasty.
30 E. Olevoicz i E. R u d y
Przedstaw iony przebieg zjawisk przy odpuszczaniu odnosi się do stali węglowej. Wyjaśnienie zjawisk zachodzących przy odpuszczaniu stali stopowych wymaga dalszych badań i prace te są kontynuow'ane w Ka
tedrze M etaloznawstwa Politechniki Śląskiej.
PIŚM IEN NIC TW O
[1] A. G u la jew — M i e ta ł ło w ie d i e n ij e . M oskw a 1956.
[2(] L. H ab rak en — S u r la M et a ll o g r o p h ie E lectro n iq u e, L iege 1953.
[3] E. H oudrem ont — H a n d b u c h d e r S o n d e r s ta h lk u n d e , B erlin 1956.
[41 G. M asin g — L e h r b u c h d e r A ll g e m e i n e n M e t a ll k u n d e , B erlin 1950.
[5] J. U m ań sk i — F iz i c z e s k o j e m i e t a ł ł o w i e d i e n i j e , M oskw a 1955.
[6] F. Staub, E. O lew iez — M i k r o s k o p m e ta lo g r a f ic z n y , PW T W -a 1956.
[7,] W. G rube — J o u r n e e s de la M icro sco p ie E le c tro n iq u e , Oct. 1956.
[8] S. M odin — M e ta l T r e a t m e n t . A p r il-m a y 1960.
[9>] J .N u ttin g — J o u rn e e s d e la M icro sco p ie Electron iqu e. Oct. 1956.
MccjieflOBaHMe km hctbikm OTnycKa 3BTeKTOM^Hoii yrjiepo^MCToił CTajIM Ha 3JI6KTp0HH0M MHKpOCKOne
IIpoBefleHO MCCJieflOBaHMH c itejibio onpeflejieHMH b jim h h h h Bpe- MeHM u TeM nepaTypbi Ha KnneTHKy OTnycKa yrjiepo^iicT oii CTajin cocTaBJHHOHteü 0,8% C, 3aKajieHH0fi H3 pa3JiMHHhix TeMnepaTyp.
K MCCJieflOBaHMflM H a SJieK TpOH HOM M H K pOC K O ne H C n 0 J IB 3 0 B a H 0 jia K O B b ie (M O BM T ajiM B bie) m n o 3 M T M B H b ie y r j i e p o f l H b i e O T n en aT K M , o T T e H e H H b ie x p o m o m . r i p n iic c j ie ^ o B a H M H HaÖ JHO^aeTCH H e n p e - pbiB H O C T b CMeH C T p y K T y p b i n p n O T n y c K e , H a o 6 p a 3 i i ; a x 3 a K 3 J ie H - H b ix M3 T e M n e p a r y p b i 780 n 1000 °C.
KOHC TaTM pO BaH O B CymHOCTM C M eH bl B C T p jr K T y p e n p M HMCKOM, c p e f l H e M m BbicoKOM O T n y c K e , a T a x j K e ycT a H O B J ieH O MHoro ^aH bix
OTHOCHTejibHO MeTOflHKM MCCJießOBaHMM o T n y c x a e M b i x c T p y K T y p H a 3JieK TpO H H O M M H K pO C K O ne.
Die elektronenoptische U ntersuchungen der Gefügeänderungen beim Anlassen eines eutektoidalen Kohlenstoffstahles
Es w urde der Einfluss von Zeit und Tem peratur beim Anlassen eines von verschiedenen Tem peraturen gehärteten Kohlenstoffstahles durch
geführt. F ür U ntersuchungen w urden Movital- und M atrizenkohlenstof
fabdrücke m it Chrom beschattet, verwendet. Es w urden stetige S tru k tu r
änderungen beim Anlassen an gehärteten von 780°C und 1000°C beobach
tet. Man hatte wesentliche S trukturveränderungen schon bei niedrigeren und m ittleren A nlasstem peraturen festgestellt und eine Diskussion der erhaltenen Ergebnisse durchgeführt.
c. d. Tabl. 2
Nr rys.
Obróbka ciep ln a
T ra
w ie n ie P reparat S t r u k t u r a
P ow ięk s Pe
zenie X *) P e f
1 2 3 4 5 9 7
9
hart. 1000°C odp. 600°C/
/120 m in.
ch lorek żelaza
replika m ow italow a, cien iow an a Cr
W jednorodnej o sn o w ie ferrytyczn ej g lo b u lity czn e w y d z ie
len ia cem en ty tu różnej w ielk o ści 6000 10000
10 hart. 780°C nieodp.
k w as a zotow y
replika w ęg lo w a m atrycow a, cien iow an a Cr
S truktura d ro b n oiglastego m arten zytu o zm atow an ym tle.
C iem na sia tk a rozgranicza p oszczególn e ziarna oraz n ie zu p ełn ie w y k szta łco n e u tw ory ig la ste m arten zytu
6000 10000
11
hart. 780°C odp. 150°C/
/20 m in.
ch lorek żelaza
replika w ęglow a m atrycow a, cien iow an a Cr
S tru k tu ra o iglastej b u d o w ie m arten zytu z ch arak tery
styczn ym zm atow an iem p ow ierzch n i i zgru bieniam i.
C iem na sia tk a u lega p ogru b ien iu oraz m iejsco w y m przerw om
6000 10000
12
hart. 780°C odp. 350°C/
/20 m in.
ch lorek żelaza
replika w ęglow a m atrycow a, cien iow an a Cr
Struktura o charak terystyczn ej b u d ow ie p ły tk o w ej. W okół ja sn y ch n ietra w ią cy ch się p ły tek o p oszarpanych kra
w ęd ziach czarne n ieregu larn e otoczki
6000 10000
13
hart. 780°C odp. 400°C/
/120 m in.
ch lorek żelaza
replika m ow italow a, cien iow an a Cr
W jed n orod n ej osn ow ie w id oczn e ja sn e u tw o ry p łytk ow e w u k ła d zie ig la sty m . P ły tk i w yk azu ją ten d en cję do k u r
czen ia się
6000 10000
14
hart. 780°C odp. 450 °C/
/20 m in.
ch lorek żelaza
replika m o w ita lo w a , cien iow an a Cr
W jednorodnej osn o w ie zw ężon e w y d z ie le n ia p ły tk o w e oraz drobne cem en tytu . W idoczny podział p ły tek i p o
czątek ich k oa g u la cji
6000 10000
15
hart. 780°C odp. 500°C/
/120 m in.
ch lorek żelaza
replika m ow italow a^
cien io w a n a Ćr
W jednorodnej osn o w ie p erlityczn ej liczn e w y d zielen ia cem en ty tu o różnej w ie lk o ś c i i k ształtach przy zan ik a
jących u tw orach p łytk ow ych . W yd zielen ia cem en tytu w igłach p o m arten zytyczn ych są m n iejsze niż w pozo
sta ły m obszarze; duże sk u p ien ia cem en ty tu w m iejscach od p ow iad ających poprzednim granicom ig ieł m artenz.
6000 10000
16
hart. 780°C odp. 600°C/
/20 m in.
chlorek żelaza
replika w ęg lo w a m atrycow a, cien iow an a Cr
W jednorodnej osn ow ie ferrytyczn ej z gran icam i ziarn w y d zielen ia cem en ty tu — drobne g lo b u lity czn e oraz p asm ow e w y d łu żo n e
6000 10000
*) P e — p o w ięk szen ie elek tron ow e,
P e f — p o w ięk szen ie c a łk o w ite (elek tron ow e X fotograficzn e).
