f zov p em ny p i tepeln m zpracov n
Download
Skip this Video
Download Presentation
Fázové přeměny při tepelném zpracování

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 33

Fázové přeměny při tepelném zpracování - PowerPoint PPT Presentation


  • 117 Views
  • Uploaded on

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:

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about ' Fázové přeměny při tepelném zpracování ' - sonel


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
slide32

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)
ad