Fázové přeměny při tepelném zpracování Přednáška pro předmět Struktura a vlastnosti materiálů Eva Münsterová, Eva Molliková

Studijní literatura Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu II 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 o materiálech Elektronické texty ÚMVI: http://ime.fme.vutbr.cz/3sv007.php

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 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 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

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 precipitační rozpad přesycených 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)

Vznik a precipitační rozpad přesycených 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 precipitační rozpad přesycených tuhých roztoků III Stárnutí feritu v polymorfních ocelích: Polymorfní ocel – ferit ve smíšené struktuře, např. ferit+ terciální cementit, ferit+ terciální 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 precipitační rozpad přesycených 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 precipitační rozpad přesycených 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 precipitační rozpad přesycených 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 následný růst austenitického zrna 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 A1 = částečná austenitizace, nebo nad A3 příp. Acm = úplná austenitizace)

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

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

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 Austenitické zrno a jeho druhy:

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 Růst zrna při austenitizaci:

Austenitizace VI Velikost austenitického zrna a vlastnosti ocelí:

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

Přeměny přechlazeného austenitu II 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

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

Přeměny přechlazeného austenitu IV 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

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: 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

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

Přeměny přechlazeného austenitu VII „Kinetika“ martenzitické přeměny (závislost na teplotě přeměny, ne na čase): Vliv přísadových prvků na martenzitickou přeměnu 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

Transformační diagramy rozpadu 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

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

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

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

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 a rozpad zbytkového austenitu:

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

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

Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí IV Popouštěcí křivka, její popis: Popouštěcí křehkost, její popis: Nízkoteplotní popouštěcí křehkost – NTPK (oblast I) Vysokoteplotní popouštěcí křehkost – VTPK (oblast II) Anizotermická složka VTPK (oblast III)