Fázové přeměny při tepelném zpracování

Přednáška pro předmětStruktura a vlastnosti materiálů

Eva Münsterová, Eva Molliková

2

Studijní literaturaZákladní učebnice:

• Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu II

Doporučené učebnice:

• Askeland D. R., Phulé P. P. – The Science and Engineering of Materials

• Callister, W. D. Jr. – Materials Science and Engineering. An Introduction

• Pluhař, J. a kol. – Nauka o materiálech

Elektronické texty ÚMVI:

• http://ime.fme.vutbr.cz/3sv007.php

3

Prerekvizity

• Krystalové struktury, poruchy mřížky, polymorfie, překrystalizace

• Druhy fází a jejich charakteristiky

• Gibbsova volná energie, nukleace a růst, kinetický diagram, difuze – její mechanizmy a její souvislost s teplotou

• Rovnovážné diagramy, Fe-Fe3C a Fe-G

• Druhy a podstata fázových přeměn

Pro pochopení přednášky jsou nezbytné znalosti z předmětu BUM, zejména:

4

Obsah přednášky

• Informativní údaje o přednášce …1- 4

• Obecně o tepelném zpracování …5 – 6

• Vznik a precipitační rozpad přesyceného tuhého roztoku …7 ÷ 12

• Austenitizace …13 ÷ 18

• Přeměny přechlazeného austenitu …19 ÷ 25

• Transformační diagramy přechlazeného austenitu …26 ÷ 29

• Přeměny při popuštění martenziticky zakalených ocelí …30 ÷ 33

5

• Zpracovávaný materiál stále v tuhém stavu

• Cíl: změna struktury změna vlastností

• TZ bez překrystalizace – buď nepolymorfní základní komponenta, nebo teplota ohřevu pod nejnižšší překrystalizační teplotou

• TZ s překrystalizací – polymorfní základní komponenta a teplota ohřevu alespoň nad nejnižší překrystalizační teplotou

• TZ – u různých slitin, ale hlavně u slitin Fe-C

Co to je tepelné zpracování (TZ)• TZ = technologický proces =

= ohřev, prodleva na teplotě, ochlazení

6

Četné možnosti TZ slitin Fe - C

Důvody :• Fe - polymorfní kov (Fe, Fe, Fe)

• Tuhé roztoky v modifikacích Fe – ferit, Fe - austenit – C,N aj. intersticiálně – Mn,Si aj. substitučně

• Rozdílná rozpustnost přísad ve feritu a v austenitu

• Rozdílná difuzivita přísad ve feritu a v austenitu

• Existence soustavy železo-cementit a železo-grafit

7

Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků I

Přesycený roztok vzniká:• buď rychlým ochlazením u slitin,

jejichž koncentrace leží v rozmezí křivky poklesu rozpustnosti – např. alfa roztok v duralu, ferit a austenit ve slitinách Fe-C

• nebo bezdifuzní přeměnou tuhého roztoku s vyšší rozpustností přísady na tuhý roztok s nižší rozpustností přísady – např. přeměna austenitu na přesycený ferit (tj. martenzit)

8

Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků II

Důvody a průběh rozpadu přesyceného tuhého roztoku:• Přesycený tuhý roztok je nerovnovážný• Soustavy (slitiny) mají snahu existovat v rovnovážném stavu

(max S, min G)• Rozpad posouvá přesycený tuhý roztok směrem k rovnováze• Precipitace (kontinuální) – proces, při němž probíhá: difuze atomů přísadového prvku mřížkou přesyceného

tuhého roztoku hromadění atomů přísad ve vhodných místech (např. v okolí

poruch mřížky) vznik drobných částic příslušné intermediální fáze (tj. vznik

precipitátů)

9

Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků III

Stárnutí feritu v polymorfních ocelích:

• Polymorfní ocel – ferit ve smíšené struktuře, např. ferit+ terciární cementit, ferit+ terciární cementit+perlit

• Po rychlém ochlazení ferit přesycen C a N (vliv křivky poklesu rozpustnosti C v Fe) - přesycení tím větší, čím větší je obsah C a N a čím vyšší je rychlost ochlazování – atomy C a N umístěny náhodně -> není výrazná Re

10

Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků IV

• Proces stárnutí přesyceného feritu:

Už za pokojové teploty – atomy C a N k poruchám (dislokacím) – Cottrellovy atmosféry výrazná Re

Při vyšší teplotě a delší době - další hromadění atomů C a N – nehomogenní tuhý roztok – vznik přechodných koherentních precipitátů Fe2,4C a Fe16N2 -> růst Rm, Re, HB; pokles A, Z

Při dalším zvýšení teploty a doby - ztráta koherence, vznik stabilních precipitátů Fe3C, Fe4N -> opačná tendence změny vlastností

• Stárnutí feritu = nepříznivý jev, zvláště u ocelí do 0,2% C

• Stárnutí po zakalení; deformační stárnutí

11

Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků V

Rozpad feritu a austenitu u nepolymorfních ocelí:

• Nepolymorfní oceli - vysokolegované oceli (např. Cr, Ni), struktura je tvořena buď jen feritem nebo jen austenitem, z nichž precipitují karbidy a nitridy

• Negativní dopad: tvorba karbidů a nitridů v matrici → zvýšení křehkosti; odčerpání legur z matrice → snížení zvláštních vlastností, např. korozivzdornosti mezikrystalová koroze

• Pozitivní dopad: vytvrditelné austenitické oceli – Ni, Cr; W, Mo, V, Ti, B, Al – rozpouštěcí žíhání a stárnutí → výrazné zpevnění

12

Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků VI

• Bezdifuzní přeměna austenitu na přesycený ferit = martenzit bude vysvětlena v části „Martenzitická přeměna“. Důvodem přesycení feritu je zde větší rozpustnost C a N v austenitu než ve feritu (PP pole 7). Přeměna bez difuze všechen C a N, který byl rozpuštěn v austenitu, zůstane uzavřen ve feritu.

• Precipitační rozpad martenzitu bude vysvětlen v části „Přeměny při popouštění“

13

Austenitizace I

• Austenitizace - u ocelí proces přeměny výchozí ferito-cementitické struktury (která existuje za pokojové teploty – F+P, P, P+cem) na austenit (při zvýšení teploty nad A = částečná austenitizace, nebo nad A3 příp. Acm = úplná austenitizace)

• Austenitizace - u ocelí úvodní etapa pro všechny druhy tepelného zpracování s překrystalizací

• Důležité dílčí pochody při austenitizaci:tvorba a homogenizace austenitunásledný růst austenitického zrna

14

Austenitizace II• Tvorba austenitu:

Za rovnovážných podmínek – přeměna perlitu na austenit při teplotě A1, dále přeměna feritu na austenit mezi A1 a A3, příp. rozpouštění sekundárního cementitu v austenitu mezi A1 a Acm . V reálných (nerovnovážných) podmínkách je nutné přehřátí nad uvedené teploty

Difuzní přeměna: difuze atomů C; heterogenní nukleace zárodků austenitu v perlitickém feritu (hlavně na rozhraní kolonií perlitu nebo na mezifázovém rozhraní F/Cem); růst zárodků až do vzniku 100% austenitu

15

Austenitizace III• Homogenizace austenitu - proces

závislý na teplotě a na čase; také na výchozí struktuře:

Austenitizační diagram (izotermický a anizotermický)

austenit + zbytky perlitického cementitu

chemicky nehomogenní austenit – místní rozdíly v obsahu uhlíku a ostatních prvků

homogenní austenit – po difuzních přesunech atomů přísad, určující je difuzivita substitučních prvků

16

Austenitizace IV• Austenitické zrno a jeho druhy:

• Při austenitizaci – velikost sekundárních zrn podle výchozí struktury, teploty a doby austenitizace – chceme jemnozrnný a homogenní austenit

licí (dendrity) – po ukončené krystalizaci; velikost menší při nižší licí teplotě a vyšší rychlosti ochlazování

primární – po granulaci dendritů (tvorba polyedrických zrn) při dalším ochlazování; zjemnění přísadou Mo,Ti,Zr,Nb,Ta

sekundární – po jakékoliv (i opakované) překrystalizaci feriticko-karbidické struktury

původní - po poslední překrystalizaci z časové řady

17

Austenitizace V

• Růst zrna při austenitizaci:

po překročení překrystalizační teploty – drobné zrno

při dalším zvyšování teploty – růst zrna (srůstání nebo posuv hranic)

ocel dědičně hrubozrnná – dezoxidovaná feromanganem a ferosiliciem

ocel dědičně jemnozrnná – dezoxidovaná hliníkem, titanem, zirkonem

18

Austenitizace VI• Velikost austenitického zrna a vlastnosti ocelí:

19

Přeměny přechlazeného austenitu I

alotropická přeměna mřížky Fe(fcc) na mřížku Fe(bcc) – proběhne vždy, bez ohledu na rychlost ochlazování a teplotu přeměny změna rozpustnosti uhlíku, tvorba cementitu

difuze přísadových prvků (substitučních obtížněji, intersticiálních snadněji) – silná závislost na teplotě přeměny

• Probíhají pod teplotou A1 ( přechlazení)

• Dílčí procesy:

20

Přeměny přechlazeného austenitu IIPřeměny:

• proeutektoidní – tvorba feritu mezi teplotami A3 a A1, cementitu mezi teplotami Acm a A1 – difuze všech prvků

• perlitická – malé přechlazení pod A1, difuze všech prvků

• bainitická – větší přechlazení pod A1, omezená difuze (uhlík ano, železo a ostatní prvky ne)

• martenzitická – velké přechlazení pod A1, nulová difuze všech prvků

21

Přeměny přechlazeného austenitu IIIProeutektoidní přeměny

• Proeutektoidní fáze (p.f.) – ferit, cementit II

• Heterogenní tvorba zárodků p.f. (přednostně na hranicích zrn austenitu) a jejich růst

• Malé přechlazení – vznik síťoví p.f. – neškodné u F, křehkost u cem

• Větší přechlazení – vznik p.f. ve tvaru Widmannstättenovy struktury – křehkost u F i u cem

• Nízkouhlíkové oceli – vznik rovnoosých zrn feritu

Po ukončení proeutektoidní přeměny je ve zbývajícím austenitu eutektoidní obsah uhlíku a může proběhnout přeměna austenitu na perlit

22

Přeměny přechlazeného austenitu IVPerlitická přeměna: • Perlit = lamelární směs feritu a

cementitu• Heterogenní nukleace na

hranicích austenitických zrn; zárodek feritu např. v bodě J, zárodek cementitu např. v bodě K

• Růst kolonie perlitu – střídavá tvorba cementitu a feritu

• Mezilamelární vzdálenost = tloušťka dvojice lamel (F+cem) – zmenšuje se s klesající teplotou přeměny – rostou pevnostní vlastnosti, klesají deformační charakteristiky

• Vliv přísadových prvků na teplotu eutektoidní přeměny a na eutektoidní obsah uhlíku v austenitu

23

Přeměny přechlazeného austenitu VBainitická přeměna:• Bainit = nerovnovážná nelamelární směs

deskových nebo jehlicových (laťkových) krystalů více nebo méně přesyceného feritu a drobných částic karbidů

• Druhy bainitu:

• Bainitická přeměna neprobíhá až do 100% vzniku nové fáze – zbytkový austenit – v průběhu přeměny obohacený C a jinými prvky

• Bainitická křivka oceli – udává množství austenitu, který je možno přeměnit na bainit v závislosti na teplotě přeměny; teplota Bs a Bf

Horní bainit – teplota vzniku nad asi 350°C při obsahu asi 0,6%C – nižší pevnostní vlastnosti, větší houževnatost; pevnější a tvrdší než perlit

Dolní bainit – teplota vzniku mezi 350°C a teplotou Ms u ocelí s asi 0,6%C – vyšší pevnostní vlastnosti, nižší houževnatost

24

Přeměny přechlazeného austenitu VIMartenzitická přeměna:• Bezdifuzní (střihová) přeměna; nízká

teplota přeměny (mezi teplotami Ms a Mf) = velké přechlazení pod A1; kritická rychlost ochlazování

• Martenzit = nerovnovážný přesycený tuhý roztok uhlíku v Fe

• Mřížka martenzitu: prostorově středěná tetragonální; tetragonalita způsobená přesycujícím uhlíkem – jeho atomy v jedné ze tří oktaedrických intersticiálních poloh mřížky Fe

• Vliv obsahu uhlíku obsaženého v martenzitu na mřížkové parametry martenzitu

• Vliv obsahu uhlíku obsaženého v martenzitu na tvrdost martenzitu

25

Přeměny přechlazeného austenitu VII

Většinou atermický charakter přeměny – dané teplotě v intervalu Ms a Mf odpovídá určitý podíl martenzitu, který vznikne prakticky okamžitě (vysoká rychlost růstu útvarů martenzitu - rychlost šíření zvuku v oceli)

Přeměna může pokračovat je po dalším snížení teploty, až na teplotu Mf

Martenzitická křivka ocelí = podíl martenzitu v závislosti na teplotě přeměny

Zbytkový austenit

• „Kinetika“ martenzitické přeměny (závislost na teplotě přeměny, ne na čase):

• Vliv přísadových prvků na martenzitickou přeměnu

26

Transformační diagramyrozpadu přechlazeného austenitu I

• Kinetické diagramy – závislost doby (průběhu) přeměny na teplotě přeměny

• Platnost vždy pro určité chemické složení oceli a pro určité podmínky austenitizace

• Diagramy izotermického rozpadu austenitu (IRA) – rozpad při konstantní teplotě – využití menší

• Diagramy anizotermického rozpadu austenitu (ARA) – rozpad v průběhu ochlazování - využití časté

• Konstrukce diagramů – experimenty, výpočty

27

Transformační diagramy rozpadu přechlazeného austenitu II

Diagramy IRA:

• Křivky začátku (s-start) a konce (f-finish) perlitické a bainitické přeměny = C křivky

• Vlevo od křivek začátku přeměny (s) je austenit, vpravo od křivek konce přeměny (f) jsou produkty příslušné přeměny, mezi křivkami (s) a (f) přeměna postupně probíhá

• Martenzitická přeměna pod teplotou Ms

• Vliv přísad na diagramy IRA: Přísady (kromě Al a Co) posouvají

křivky (s) a (f) doprava Karbidotvorné prvky mění tvar křivek

– oddělují od sebe perlitickou a bainitickou přeměnu

28

Transformační diagramy rozpadu přechlazeného austenitu III

Diagramy ARA:• Křivky začátku a konce přeměn s

podobným významem jako v diagramu IRA

• Křivky rychlosti ochlazování – v jejich směru se sleduje průběh přeměn

29

Transformační diagramy rozpadu přechlazeného austenitu IV

Rychlost 1 – hrubý perlit Rychlost 2 – jemný perlit Rychlost 3 – jemný perlit, horní a dolní bainit Rychlost 4 – horní a dolní bainit Rychlost 5 – kritická rychlost martenzitické přeměny –

martenzit a zbytkový austenit Rychlost 6 – martemzit a zbytkový austenit

• Produkty přeměn v diagramu ARA při různých ochlazovacích rychlostech

30

Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí I

• Popouštění = TZ bezprostředně po martenzitickém kalení = ohřev a prodleva při zvýšené teplotě (ale pod A1), ochlazení na pokojovou teplotu

• Přeměny při popuštění:

precipitační rozpad tetragonálního martenzitu (tj. přesyceného feritu) a

rozpad zbytkového austenitu:

31

Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí II

I. do asi 200°C – rozpad: tetragonální martenzit na směs (nízkouhlíkový kubický martenzit s obsahem do 0,125 hmot%C + přechodový -karbid Fe2,4C s mřížkou hcp) ; zmenšení měrného objemu; pouze mírné snížení tvrdosti

II. (200 až 300)°C – rozpad zbytkového austenitu na strukturu bainitického typu (podobnou martenzitu popuštěnému na stejnou teplotu); přeměna značí vzrůst tvrdosti, který se ve změně tvrdosti celé struktury objeví více nebo méně výrazně – podle původního množství zbytkového austenitu; relaxace vnitřního pnutí

•

• Čtyři stadia popouštění (teplotně možnost překryvu):

32

III. (nad 300°C) – přeměna (kubický martenzit+ -karbid) (ferit+cementit) = sorbit; změna tvaru feritu – z jehlic na polyedrická zrna (zotavování, rekrystalizace); změna tveru cementitu – z tyčinek na zrna, jejich růst; TZ = zušlechťování; pokles pevnostních charakteristik, růst deformačních charakteristik a houževnatosti

IV. (nad 500 až 600°C)

– uhlíkové oceli: rekrystalizace a hrubnutí zrn feritu, hrubnutí (koalescence, srůstání) částic cementitu – hrubý zrnitý perlit, snižování pevnostních a růst deformačních charakteristik

– nízkolegované oceli: legování cementitu dalšími prvky (Mn, Cr apod.);

– legované a vysokolegované oceli: vznik speciálních karbidů s mřížkou odlišnou od cementitu; zvýšení trdosti = sekundární tvrdost

Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí III

33

Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí IV

Nízkoteplotní popouštěcí křehkost – NTPK (oblast I)

Vysokoteplotní popouštěcí křehkost – VTPK (oblast II)

Anizotermická složka VTPK (oblast III)

• Popouštěcí křivka, její popis:

• Popouštěcí křehkost, její popis: