F zov p em ny p i tepeln m zpracov n
This presentation is the property of its rightful owner.
Sponsored Links
1 / 33

Fázové přeměny při tepelném zpracování PowerPoint PPT Presentation


  • 76 Views
  • Uploaded on
  • Presentation posted in: General

Fázové přeměny při tepelném zpracování. Přednáška pro předmět Struktura a vlastnosti materiálů Eva Münsterová, Eva Molliková. Studijní literatura. Základní učebnice: Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu II Doporučené učebnice:

Download Presentation

Fázové přeměny při tepelném zpracování

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

Presentation Transcript


F zov p em ny p i tepeln m zpracov n

Fázové přeměny při tepelném zpracování

Přednáška pro předmět

Struktura a vlastnosti materiálů

Eva Münsterová, Eva Molliková


Studijn literatura

Studijní literatura

Základní 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 omateriálech

    Elektronické texty ÚMVI:

  • http://ime.fme.vutbr.cz/3sv007.php


Prerekvizity

Prerekvizity

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

  • 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


Obsah p edn ky

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


Co to je tepeln zpracov n tz

Co to je tepelné zpracování (TZ)

  • TZ = technologický proces = = ohřev, prodleva na teplotě, ochlazení

  • 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


Etn mo nosti tz slitin fe c

Četné možnosti TZ slitin Fe - C

Důvody :

  • Fe - polymorfní kov (aFe,gFe,dFe)

  • Tuhé roztoky v modifikacích aFe – ferit, gFe - 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


Vznik a precipita n rozpad p esycen ch tuh ch roztok i

  • 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)

Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků I

Přesycený roztok vzniká:


Vznik a precipita n rozpad p esycen ch tuh ch roztok ii

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)


Vznik a precipita n rozpad p esycen ch tuh ch roztok iii

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 aFe) - 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


Vznik a precipita n rozpad p esycen ch tuh ch roztok iv

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


Vznik a precipita n rozpad p esycen ch tuh ch roztok v

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


Vznik a precipita n rozpad p esycen ch tuh ch roztok vi

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“


Austenitizace i

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

  • Důležité dílčí pochody při austenitizaci:

  • tvorba a homogenizace austenitu

  • následnýrůst austenitického zrna

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 ii

  • 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 jenutné 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

Austenitizace II

  • Tvorba austenitu:


Austenitizace iii

  • 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 substitučníchprvků

Austenitizace III

  • Homogenizace austenitu - proces závislý na teplotě a na čase; také na výchozí struktuře:


Austenitizace iv

  • 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

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

Austenitizace IV

  • Austenitické zrno a jeho druhy:


Austenitizace v

  • 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

Austenitizace V

  • Růst zrna při austenitizaci:


Austenitizace vi

Austenitizace VI

  • Velikost austenitického zrna a vlastnosti ocelí:


P em ny p echlazen ho austenitu i

Přeměny přechlazeného austenitu I

  • Probíhají pod teplotou A1 ( přechlazení)

  • Dílčí procesy:

  • alotropická přeměna mřížky gFe(fcc) na mřížku aFe(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


P em ny p echlazen ho austenitu ii

Přeměny přechlazeného austenitu II

Přeměny:

  • 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


P em ny p echlazen ho austenitu iii

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

Přeměny přechlazeného austenituIII

Proeutektoidní 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


P em ny p echlazen ho austenitu iv

Přeměny přechlazeného austenituIV

Perlitická 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


P em ny p echlazen ho austenitu v

  • 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

  • Bainitickápřeměna 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

Přeměny přechlazeného austenitu V

Bainitická přeměna:

  • Bainit = nerovnovážná nelamelární směs deskových nebo jehlicových (laťkových) krystalů více nebo méně přesyceného feritu a drobných částic karbidů

  • Druhy bainitu:


P em ny p echlazen ho austenitu vi

Přeměny přechlazeného austenitu VI

Martenzitická 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 aFe

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

  • Vliv obsahu uhlíku obsaženého v martenzitu na mřížkové parametry martenzitu

  • Vliv obsahu uhlíku obsaženého v martenzitu na tvrdost martenzitu


P em ny p echlazen ho austenitu vii

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

  • Vliv přísadových prvků na martenzitickou přeměnu

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


Transforma n diagramy rozpadu p echlazen ho austenitu i

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


Transforma n diagramy rozpadu p echlazen ho austenitu ii

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


Transforma n diagramy rozpadu p echlazen ho austenitu iii

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


Transforma n diagramy rozpadu p echlazen ho austenitu iv

Transformační diagramy rozpadu přechlazeného austenitu IV

  • Produkty přeměn v diagramu ARA při různých ochlazovacích rychlostech

  • 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


P em ny p i popou t n martenziticky zakalen ch ocel i

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:


P em ny p i popou t n martenziticky zakalen ch ocel ii

Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí II

  • Čtyři stadia popouštění (teplotně možnost překryvu):

  • I. do asi 200°C – rozpad: tetragonální martenzit na směs (nízkouhlíkový kubický martenzit s obsahem do 0,125 hmot%C + přechodový e-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


F zov p em ny p i tepeln m zpracov n

Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí III

  • III. (nad 300°C) – přeměna (kubický martenzit+ e-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


P em ny p i popou t n martenziticky zakalen ch ocel iv

  • Popouštěcí křivka, její popis:

  • Popouštěcí křehkost, její popis:

Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí IV

  • Nízkoteplotní popouštěcí křehkost – NTPK (oblast I)

  • Vysokoteplotní popouštěcí křehkost – VTPK (oblast II)

  • Anizotermická složka VTPK (oblast III)


  • Login