Fázové přeměny slitin železa v tuhém stavu

Polymorfní přeměny kovů Mění se typ mřížky Schopnost měnit mřížku – polymorfie – překrystalizace Změna mřížky – změna vlastností (měrný objem…)

Fázové přeměny v tuhém stavu Homogenní – chybí stádium nukleace (nevzniká fázové rozhraní) Heterogenní - nukleace a růst nových fázových rozhraní Tepelně aktivovaný růst – polymorfní,masivní, precipitace, eutektoidní a bainitické Atermální - martenzitické

Fázové přeměny s tepelně aktivovaným růstem Heterogenní nukleace na defektech mřížky: hranice zrn, hranice dvojčat, dislokace, vrstevné chyby…. Zárodek roste snadněji do zrna s nízkou koherencí. Popis kinetiky – diagramy izotermického nebo anizotermického rozpadu austenitu.

Fázové přeměny slitin železa v tuhém stavu Polymorfie železa, změny rozpustnosti legur spojené s fázovými přeměnami a s poklesem teplot spolu se značnou rozdílností v hodnotách difuzivit intersticiálních a substitučních prvků jsou příčinami značné variability v možných fázových přeměnách slitin železa. Pozitivní využití – tepelné zpracování (možnost měnit vlastnosti slitin železa v širokém rozsahu) Negativní důsledky – tzv. stárnutí oceli (precipitační rozpad tuhého roztoku – feritu)

Rozpad tuhých roztoků Přesycené tuhé roztoky – slitiny s omezenou rozpustností Rozpad samovolný – přirozené stárnutí (při teplotě okolí) Rozpad při zvýšené teplotě – umělé stárnutí Kotinuální precipitace – v celém objemu najednou Diskontinuální precipitace – v určitých oblastech teplota Složení %

Precipitační rozpad polymorfních ocelí (stárnutí ocelí) Rozpustnost intersticiálních prvků (C,N) s klesající teplotou se zmenšuje a po rychlejším ochlazování z teplot těsně pod A1 je ferit těmito prvky přesycen. Po rychlém ochlazení jsou C, N náhodně rozloženy ve feritu, ve feritu je dostatek volných dislokací (nejsou obsazeny C,N). Kontinuální precipitace začíná i za pokojové teploty difúzí atomů C,N do příznivějších poloh kolem mřížkových poruch, začínají se vylučovat koherentní precipitáty přechodných intersticiálních fází (Fe2C (ε), Fe16N2) bohatých na C a N. Růst pevnosti, tvrdosti, pokles houževnatosti, zvýšeni tranzitní teploty

Precipitační rozpad polymorfních ocelí (stárnutí ocelí) Nepříznivé důsledky jsou nejvýraznější u nízkouhlíkových ocelí do 0,2 %C. Při zvyšování teploty stárnutí dochází k přeměně přechodných precipitátů na precipitáty stabilních fází (Fe3C) Hlavním zdrojem dislokací je zpravidla plastická deformace za studena, proto rozlišujeme dva druhy stárnutí: stárnutí po zakalení (precipitační stárnutí) a deformační stárnutí (stárnutí po tváření za studena)

Důsledky stárnutí oceli Zvýšení pevnosti a tvrdosti Snížení plastických vlastností a houževnatosti Zvýšení tranzitních teplot Zvýšení křehkosti oceli u zařízení pracujících za vyšších teplot, v tepelně ovlivněné oblasti svaru.

Způsoby jak zabránit stárnutí oceli Snížení obsahu dusíku a uhlíku – lze provést při výrobě kyslíkovém konvertoru s následným mimopecním zpracováním (vakuováním), Vazba C a N na stabilní sloučeniny – při výrobě lze přidávat nitridotvorné prvky Al, Ti, Nb

Precipitační rozpad nepolymorfních ocelí Oceli u nichž nedochází k přeměně krystalové mřížky Jsou bohatě legované prvky stabilizující ferit nebo austenit Cr, Si, Al, W, Mo, V, Ti Ni, Mn, Co

0 % Cr Rozšíření oblasti feritu 12 % Cr

Precipitační rozpad nepolymorfních ocelí U těchto slitin vede precipitace karbidů ke zkřehnutí a také ke snížení odolnosti vůči mezikrystalové korozi (vylučování karbidů bohatých na Cr) Výrazného zpevnění dosahujeme u austenitických ocelí precipitačním rozpadem přesyceného austenitu Vytvrditelné austenitické oceli obsahují vedle základních legur (Ni, Cr) další přísady (W, Mo, V, Ti, B, Al) podílející se na tvorbě vytvrzujících fází.

Fázové přeměny s tepelně aktivovaným růstem Za pokojové teploty je rovnovážná struktura uhlíkových ocelí tvořena směsí feritu a perlitu (tzv. oceli podeutektoidní), feriticko-cementitické. Slitinové oceli vyjma ocelí bohatě legovaných (nepolymorfní oceli, martenzitické oceli) mají strukturu feriticko-cementitickou. Základním procesem při všech postupech překrystalizačního tepelného zpracování je austenitizace Přeměna feriticko-cementitické struktury na strukturu austenitckou – ohřev nad kritické teploty

Fázové přeměny s tepelně aktivovaným růstem Nejzákladnější dva pochody austenitizace Tvorba a homogenizace austenitu Růst austenitického zrna

Tvorba a homogenizace austenitu Austenit – tuhý roztok uhlíku v železe gama V železe γ se může rozpustit až 2,11 %C.

Tvorba a homogenizace austenitu Přeměna feriticko-cementitické struktury za rovnovážných podmínek na strukturu austenitickou probíhá v rozmezí teplot Ac1 až Ac3 nebo Ac1 až Acm Austenitizace začíná přeměnou perlitu na austenit a je následována postupnou přeměnou feritu (sekundárního cementitu) v austenit při zvyšování teploty nad Ac1 Difúzní přeměna – tvorba zárodků a jejich růst

Tvorba a homogenizace austenitu Při přeměně perlitu na austenit zůstávají zbytky karbidů, které se postupně rozpouštějí. Lokální rozdíly koncentrací uhlíku a přísadových prvků v austenitu se vyrovnávají v průběhu času a při zvyšování teploty. Homogenita chemického složení austenitu je řízena difúzní rychlostí substitučních prvků. Průběh austenitizace je ovlivňován výší teploty, rychlostí ohřevu, výchozí strukturou a chemickým složením oceli. Sorbit, jemný perlit, hrubý zrnitý perlit. S obsahem uhlíku se austenitizace urychluje. Karbidotvorné prvky dobu přeměny zvětšují.

Austenitické zrno a jeho velikost Velikost austenitického zrna ovlivňuje mechanické a technologické vlastnosti ocelí. Velikost austenitického zrna závisí na stavu výchozí struktury, na době a teplotě austenitizace. Primární austenitické zrno vzniká při odlévání taveniny – lze zjemnit při výrobě (přísady Mo, Ti, Zr, Nb, Ta, nebo způsobem zpracování kontilití, minimalizace licí teploty). Sekundární austenitické zrno – vzniká při opakované překrystalizaci feriticko-cementitické (karbidické) struktury Velikost sekundárních zrn je určena procesy statické a dynamické rekrystalizace. Růst zrna se uskutečňuje srůstem drobných zrn srůstáním nebo posuvem hranic zrn.

Austenitické zrno a jeho velikost Jemnozrnné (b) – dezoxidované Al, Ti, Zr Hrubozrnné (a) – Mn, Si Růstu austenitické zrna za zvýšené teploty brání také karbidotvorné prvky pokud se jejich karbidy nerozpustí v austenitu Zjemnění zrna lze dosáhnout normalizací, řízeným válcováním