1. Wstęp.

Obróbka cieplna jest to zespół odpowiednio dobranych zabiegów cieplnych prowadzących do zmiany właściwości stali poprzez zmiany struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury i czasu.

Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury oraz właściwości metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:

·obróbkę cieplną zwykłą,

·obróbkę cieplno-chemiczną,

·obróbkę cieplno-mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno-plastyczną),

·obróbkę cieplno-magnetyczną.

Klasyfikację obróbki cieplnej zwykłej przedstawiono na rys. 1. Każdy proces obróbki cieplnej składa się z operacji i zabiegów. Operacja obróbki cieplnej jest to część procesu technologicznego (np. hartowanie, wyżarzanie) wykonywana w sposób ciągły, przeważnie na jednym stanowisku roboczym, natomiast zabiegiem nazywamy część operacji (np. nagrzewanie, wygrzewanie, chłodzenie) rys. 2.

Rys. 2. Schemat operacji obróbki cieplnej.

Podstawowymi parametrami, które decydują o przemianach fazowych są: szybkość nagrzewania, temperatura wygrzewania, czas nagrzewania, wygrzewania i chłodzenia oraz szybkość chłodzenia w zależności od temperatury wygrzewania. Nagrzewanie i chłodzenie materiału może przebiegać w sposób ciągły lub stopniowy. Podczas nagrzewania stopniowego rozróżnia się: podgrzewanie - nagrzewanie do temperatury pośredniej i dogrzewanie - nagrzewanie do temperatury wygrzewania. Podobnie podczas chłodzenia stopniowego wyróżniamy pojęcia: podchładzanie - chłodzenie do temperatury pośredniej oraz wychładzanie - chłodzenie do temperatury końcowej. Chłodzenie powolne (w piecu, spokojnym powietrzu) nazywamy studzeniem, natomiast chłodzenie szybkie (w wodzie, oleju) nazywamy oziębianiem. Ochłodzenie i wytrzymanie materiału w temperaturze poniżej 0°C nazywamy wymrażaniem.

2. Przemiany fazowe podczas obróbki cieplnej.

2.1. Przemiana austenityczna.

Podczas nagrzewania stali, powyżej temperatury Ac1, rozpoczyna się przemiana perlitu w austenit, nazywana przemianą austenityczną. W stalach podeutektoidalnych po przekroczeniu temperatury Ac3 rozpoczyna się przemiana ferrytu w austenit, a w stalach nadeutektoidalnych po osiągnięciu temperatury Accm- proces rozkładu cementytu.

Przemiana austenityczna rozpoczyna się zarodkowaniem austenitu na granicach międzyfazowych ferryt - cementyt i ma charakter dyfuzyjny. Szybkość zachodzenia przemiany austenitycznej zależy głównie od stopnia przegrzania perlitu (ferrytu) powyżej temperatury Ac1, (Ac3) przy grzaniu izotermicznym lub od szybkości nagrzewania przy grzaniu ciągłym oraz od ogólnej powierzchni granic międzyfazowych ferryt-cementyt, tj. dyspersji perlitu. Przemianę tę można rozważać w trzech następujących po sobie etapach:

·utworzenie austenitu niejednorodnego,

·utworzenie austenitu jednorodnego,

·rozrost ziaren austenitu.

Bezpośrednio po zakończeniu przemiany austenitycznej otrzymany austenit jest niejednorodny i do pełnego wyrównania koncentracji węgla i innych pierwiastków stopowych konieczne jest dalsze wygrzewanie.

Przemianie perlitu w austenit towarzyszy rozdrobnienie ziarna (rys.3), jednak dalszy wzrost temperatury lub czasu austenityzowania sprzyja rozrostowi ziaren. Skłonność do rozrostu ziaren austenitu zależy w znacznym stopniu od rodzaju stali, które możemy podzielić na dwie grupy:

·stale drobnoziarniste o małej skłonności do rozrostu ziaren austenitu w zakresie temperatur do 900-950°C,

·stale gruboziarniste, w których rozrost ziaren austenitu następuje bezpośrednio po zakończeniu przemiany austenitycznej.

Głównym czynnikiem hamującym rozrost ziaren austenitu są dyspersyjne cząstki obcych faz, uniemożliwiające migrację granic ziaren. Do stali charakteryzujących się małą skłonnością do rozrostu ziaren należą m.in. stale odtleniane za pomocą aluminium (powstają dyspersyjne cząstki Al2O3 i AlN) oraz tale nadeutektoidalne i stopowe zawierające trudno rozpuszczalne węgliki. Stale drobnoziarniste umożliwiają stosowanie szerszego zakresu temperatury austenityzowania podczas obróbki cieplnej oraz wyższej temperatury obróbki plastycznej na gorąco. Drobnoziarnista struktura austenitu pierwotnego wpływa na poprawę właściwości mechanicznych i eksploatacyjnych stali normalizowanych, hartowanych i ulepszanych cieplnie.

2.2. Przemiany podczas chłodzenia

Austenit jest fazą trwałą tylko w pewnym zakresie temperatur i po ochłodzeniu poniżej temperatury Ar, ulega przemianie perlitycznej, bainitycznej lub martenzytycznej. Dane dotyczące zależności struktury i właściwości stali od temperatury i czasu przemiany przechłodzonego austenitu zawierają wykresy CTP (czas - temperatura - przemiana). W zależności od sposobu chłodzenia dla różnych gatunków stali są opracowywane wykresy:

·CTPi - przy chłodzeniu izotermicznym,

·CTPc - przy chłodzeniu ciągłym (rys.4).

Rozpoczęcie przemiany austenitu wymaga pewnego czasu zwanego „czasem inkubacji austenitu”, który jest potrzebny do przegrupowania atomów oraz powstania zarodków nowej fazy. Czas inkubacji austenitu przy chłodzeniu izotermicznym zależy przede wszystkim od temperatury i jest najdłuższy w temperaturze bezpośrednio poniżej temperatury A1. Wraz z obniżeniem temperatury czas trwałości przechłodzonego austenitu ulega skróceniu osiągając minimum w temperaturze 500-550°C. Poniżej temperatury 550°C czas inkubacji austenitu wydłuża się aż do osiągnięcia temperatury początku przemiany martenzytycznej.

Rys. 5. Schemat przebiegu przemiany perlitycznej: a) tworzenie się płytek cementytu i ferrytu, b) zapoczątkowanie przemiany perlitycznej na granicach ziaren austenitu, c) wzrost perlitu.

2.2.1. Przemiana perlityczna.

Przemiana perlityczna zachodzi po ochłodzeniu austenitu do zakresu temperatur pomiędzy temperaturą Ar1, a temperaturą minimalnej trwałości austenitu 500-550°C. W jej wyniku z austenitu powstaje mieszanina eutektoidalna złożona z płytek ferrytu i cementytu zwana perlitem. Przemiana perlityczna jest przemiany dyfuzyjną, związaną z przegrupowaniem atomów węgla i zachodzi przez zarodkowanie oraz rozrost zarodków (rys.5). Zarodkowanie perlitu przebiega homogenicznie na granicach ziaren austenitu czy nierozpuszczonych cząstkach innych faz, przy czym z danych doświadczalnych wynika, że w pierwszej kolejności powstaje płytka cementytu, powodując zubożenie zawartości węgla w otaczającym ją austenicie. Gdy stężenie węgla w austenicie spadnie do poziomu odpowiadającego jego zawartości w ferrycie - powstaje płytka ferrytu, co prowadzi do wzbogacenia sąsiednich obszarów austenitu w węgiel do zawartości wymaganej dla powstania płytki cementytu. Kolonia perlitu rośnie poprzez dobudowywania nowych płytek ferrytu i cementytu oraz przez wzrost czołowy, który zachodzi na drodze dyfuzyjnego przegrupowywania atomów węgla.

W warunkach chłodzenia izotermicznego odległość między płytkami ferrytu i cementytu zmniejsza się wraz z przechłodzeniem austenitu. Na przykład w perlicie utworzonym w temperaturze 700°C odległość między płytkami wynosi ok.1mm, a w perlicie utworzonym w temperaturze 600°C - 0,1 mm.

2.2.2. Przemiana bainityczna.

Przemiana bainityczna zachodzi w stalach pomiędzy temperaturą najmniejszej trwałości austenitu a temperaturą początku przemiany martenzytycznej. Podczas chłodzenia izotermicznego w zależności od temperatury przemiany rozróżnia się bainit górny, tworzący się w zakresie temperatury poniżej minimalnej trwałości austenitu a temperaturą 350-400°C oraz bainit dolny powstający w temperaturze pomiędzy 350-400°C a temperaturą początku przemiany martenzytycznej.

Przemiana bainityczna rozpoczyna się od utworzenia zarodków ferrytu na granicach ziaren austenitu. Obecnie przyjmuje się, że przemiana sieci austenitu w sieć ferrytu jest typu martenzytycznego czyli zachodzi na drodze bezdyfuzyjnego ścinania. Natomiast węgliki tworzą się w wyniku dyfuzji węgla i zarodkowania nowej fazy. Wynika stąd, że bainit jest mieszaniną przesyconego węglem ferrytu i węglików. Cechą bainitu górnego jest to, że zarodki ferrytu krystalizują głównie na granicy ziaren austenitu, natomiast wydzielenie cementytu zachodzi na granicy międzyfazowej a/g. Morfologia tworzącego się cementytu na granicach listew ferrytu zależy od zawartości węgla w stali. W stalach niskowęglowych występują izolowane cząstki cementytu, natomiast przy większych zawartościach cementyt przyjmuje postać cienkiej błonki węglików po granicach listew ferrytu. W bainicie dolnym zarodki ferrytu krystalizują na granicy ziaren austenitu oraz na już istniejących płytkach ferrytu. Istotną cechą bainitu dolnego jest również to, że wydzielanie się węglików zachodzi wewnątrz płytek ferrytu, przy czym w zależności od warunków przemiany, może wydzielić się cementyt lub węglik e. Węglik e o wzorze chemicznym Fe24C zawiera 8,4% C i krystalizuje w układzie heksagonalnym; wydziela się podczas przemiany bainitycznej oraz odpuszczania niskiego.

Wraz z obniżeniem temperatury przemiany bainitycznej maleje wielkość listew ferrytu bainitycznego oraz wielkość cząstek węglików, a rośnie ich liczba. Rozdrobnienie listew ferrytu bainitycznego rośnie również ze wzrostem zawartości węgla w stali. Pod względem morfologicznym bainit górny jest bardziej zbliżony do perlitu drobnego, a bainit dolny do martenzytu. Oprócz bainitu górnego i dolnego wyróżnia się jeszcze bainit czysto ferrytyczny, występujący w stalach niskowęglowych oraz bainit inwersyjny, tworzący się w stalach nadeutektoidalnych powyżej temperatury 350°C.

2.2.3. Przemiana martenzytyczna.

Przemiana martenzytyczna (nazywana przemianą bezdyfuzyjną lub ścinającą) zachodzi w stalach po przechłodzeniu austenitu poniżej temperatury Ms (ang. martensite start) z prędkością równą lub większą od prędkości krytycznej (rys. 4b). W wyniku powyższej przemiany powstaje martenzyt tj. przesycony roztwór węgla w żelazie a, o strukturze tetragonalnej, powstającej przez zniekształcenie komórki sieci A2 (ferrytu) obecnością atomów węgla w lukach oktaedrycznych. Parametry sieci tetragonalnej martenzytu, a tym samym jego właściwości zależą głównie od zawartości węgla w martenzycie. Martenzyt cechuje wysoka twardość i mała ciągliwość spowodowana obniżeniem symetrii sieci i wysokimi naprężeniami wywołanymi przez atomy międzywęzłowe oraz obecność defektów sieciowych (dyslokacji, mikrobliźniaków).

Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się po przekroczeniu temperatury Ms i zachodzi z bardzo dużą prędkością 1000-7000 m/s. Czas tworzenia jednej płytki martenzytu wynosi ok.10-7s. Warunkiem przebiegu przemiany martenzytycznej jest ciągłe obniżanie temperatury aż do osiągnięcia temperatury Mf (ang. martensite finish), poniżej której przemiana martenzytyczna nie zachodzi, pomimo pozostania w strukturze pewnej ilości austenitu.

Przyczyną pozostawania w strukturze pewnej ilości austenitu (zwanego austenitem szczątkowym) jest znaczny wzrost objętości martenzytu w porównaniu z austenitem o około 3-4%, co powoduje wzrost naprężeń ściskających w strukturze i zahamowanie dalszej przemiany austenitu. Ilość austenitu szczątkowego po przemianie martenzytycznej zależy od: zawartości węgla w stali, temperatury początku i końca przemiany martenzytycznej, temperatury austenityzowania stali i szybkości chłodzenia w zakresie temperatur Ms i Mf.

Wpływ węgla na temperaturę początku i końca przemiany martenzytycznej oraz zawartość austenitu szczątkowego w stali węglowej przedstawiono na rys.6 i 7. W miarę wzrostu zawartości węgla w stali zarówno temperatura Ms, jak i Mf ulega obniżeniu, przy czym w stalach o zawartości ponad 0,6% C temperatura Mf leży poniżej zera °C i dla zmniejszenia ilości austenitu szczątkowego w strukturze konieczne jest przeprowadzenie obróbki podzerowej (tzw. wymrażania). Ilość austenitu szczątkowego w stali wzrasta również jeżeli podczas chłodzenia w zakresie temperatur Ms i Mf próbka zostanie izotermicznie wytrzymana.

Rys. 8. Schemat przekształcenia sieci austenitu w sieć martenzytu.

Podczas przemiany martenzytycznej następuje skoordynowane przemieszczenie atomów bez zmiany sąsiadujących atomów dziedziczonych z austenitu, a na powierzchni próbki tworzy się charakterystyczny relief. Możliwość przedstawienia sieci płaskocentrycznej (A1) austenitu jako tetragonalnej przestrzennie centrowanej pierwszy dostrzegł Bain (rys.8). Zaobserwował on, że sieć martenzytu można otrzymać z sieci A1 przez jej ściśnięcie w kierunku <100>. Stwierdzono jednak, że samo ściśnięcie nie może przekształcić jednej sieci w drugą, gdyż przy przemianie martenzytycznej występuje pewna płaszczyzna niezmiennicza (płaszczyzna habitus), która nie podlega przekształceniu oraz nie zmienia swej orientacji w przestrzeni. Dlatego Kurdiumow i Sachs zaproponowali mechanizm przekształcenia komórki austenitu w martenzyt w dwóch kolejnych ścięciach sieci w określonych kierunkach.

W stalach niskowęglowych martenzyt ma zwykle kształt listew o orientacji płaszczyzny habitus {111}g, w stalach o zawartości węgla od 0,5 do 1,4% płaszczyzną habitus jest płaszczyzna {225}g, a w stalach o zawartości węgla powyżej 1,4% płaszczyzna {259}g.

Martenzyt listwowy (rys.10a) powstaje w wyniku odkształcenia przez poślizg. Pojedynczy kryształ martenzytu ma kształt listwy o kierunku <111>a o wymiarach w stosunku 1:7:30 i szerokości od 0,1-3 mm. Zgrupowane równolegle listwy tworzą pakiety. Poszczególne listwy martenzytu oddzielone są granicami małego kąta oraz bliźniaczymi, natomiast pakiety tworzą między sobą granice dużego kąta. Pakiety martenzytu listwowego tworzą się podczas przemiany martenzytycznej w stalach nisko- i średniowęglowych.

Podział martenzytu ze względu na morfologię, przedstawiono na rys. 9.