Anyagtudomány Előadás. Acélok nem-egyensúlyi átalakulási diagramjai Izotermás és folyamatos hűtésű átalakulási diagramok

Átírás

1 - 11. Előadás Acélok nem-egyensúlyi átalakulási diagramjai Izotermás és folyamatos hűtésű átalakulási diagramok 1

2 Az izotermikus átalakulási diagramok t 1 A túlhűtöttség hatása (K k és G hatása) T 1 C-görbe (Az eredő görbe) T 2 T 3 A diffúzió (D) hatása t 2 t 3 t 1 Idő (s) log t 2

3 Az izotermikus átalakulási diagramok kísérleti meghatározása homogén austenites állapotra hevített, kisméretű próbatestek különböző állandó hőmérsékleteken, különböző ideig végzett hőntartásával és azt követő gyors hűtésével végezhető a gyors hűtés célja az elért átalakulási folyamat befagyasztása az átalakulások milyenségét és mértékét keménységmérésekkel és mikroszerkezeti vizsgálatokkal határozzuk meg 3

4 Izotermás átalakulási diagramok kísérleti meghatározásának elvi ábrája Hőmérséklet ( o C) Austenit M s Martensit Austenit 293 HV 383 HV 413 HV A 1 Perlit HV ~170 Bainit 0, Idő (s) Idő (s) HV ábra

5 Eutektoidos acél ma használatos izotermás átalakulási diagramja Hőmérséklet ( o C ) T 1 = T 2 = a M s % 50% 90% M f (99%) B s a a+p a+m m , B f Austenitesítés: T=830 o C a+b (20 o C) 1 2 A c1 b p Bainites Perlites Martensites Idő (s) ábra 5

6 T ( o C) G P Hipo-eutektoidos acél izotermás átalakulási diagramja és kapcsolata az egyensúlyi diagrammal A 3 Q 0 0,8 C, % S A cm A 1 M S ábra T ( o C) B s M s a a+p m a+b Austenitesítés: C B f a+f+p a+f A 3 A 1 f+p p+b 0, b Idő (s) 6

7 Hiper-eutektoidos acél izotermás átalakulási diagramja 900 a Ausztenitesítés: 920 o C A cm 800 a a+c A 1 Hőmérséklet ( o C) B s a a+c+p Bf a+b c+p b+p b 200 M s 100 m ábra 0, Idő (s) 7

8 Izotermás átalakulási diagramok elemzése Alapvető fontosságú: csak állandó hőmérsékleten lejátszódó fázisátalakulások tanulmányozására használható A különböző hőmérséklet tartományokban lejátszódó fázisátalakulások tanulmányozása Perlites Perlit-bainites Bainites Martenzites átalakulási tartományok Az izotermás átalakulási diagramokból kiolvasható jellemzők 8

9 A folyamatos hűtés hatása acélok átalakulására

10 Acélok fázisátalakulásának lépései hypo-eutektoidos acélra proeutektoidos ferrit kiválás vaskarbid csírák keletkezése és lemezekké növekedése a C-ban elszegényedett austenit átalakulása rácsátbillenéssel ( átalakulás) a perlit cementitjének begömbösödése hyper-eutektoidos acélra proeutektoidos cementit kiválás vaskarbid csírák keletkezése és lemezekké növekedése a C-ban elszegényedett austenit átalakulása rácsátbillenéssel ( átalakulás) a perlit cementitjének begömbösödése 10

11 A hűtés sebességének hatása az egyensúlyi átalakulásokra C 1100 (austenit) E Hőmérséklet, o C G 700 P A r3 A c3 S'' S''' S' S S' S'' S''' A cm A r1 A c1 5 o C/s 50 o C/s 100 o C/s 250 o C/s 400 o C/s K Perlites Bainites Ar''=M s >500 o C/s ,5 1,0 1,5 2,0 11 C, %

12 A hűtés sebességének hatása a átalakulásra először elmarad a cementit gömbösödése egyre finomabb lemezes perlit keletkezik egyre csökken a proeutektoidos átalakulás mennyisége, növekszik az eutektoidos átalakulás tartománya egy bizonyos hűtési sebesség fölött az összes diffúziós folyamat elmarad, csak a rácsátrendeződés marad ez a martenzites átalakulás mechanizmusának megfelelően játszódik le 12

13 Az izotermás és folyamatos hűtésre érvényes átalakulások összehasonlítása Az átalakulási mechanizmusokban vannak azonosságok és különbözőségek azonosságok az átalakulás mindkét esetben lényegében ugyanazokká a szövetelemekké történik ferrit, cementit, perlit, bainit, martensit 13

14 Az izotermás és folyamatos hűtésre érvényes átalakulások összehasonlítása különbségek a keletkezett átalakulási, bomlási termék izotermásnál csak az átalakulási hőmérséklet folyamatos hűtésnél pedig a hűtési sebesség függvénye az átalakulások folyamatos hűtésnél kisebb hőmérsékleten hosszabb lappangási idő után játszódnak le az átalakulások az átalakulási görbék a folyamatos hűtés esetén az izotermikus átalakulási diagramokhoz viszonyítva lefelé és jobbra tolódnak el 14

15 A folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramok kísérleti felvétele Kisméretű próbatestek homogén austenites állapotba hevítése hipoeutektoidos acélra: A c o C hipereutektoidos acélra: A cm o C rövid idejű hevítéssel a homogén austenites állapot biztosítása különböző, de egyenletes folyamatos hűtési sebességekkel való lehűtés (kemencében való lassú hűtés, nyugodt levegőn való lassú hűtés, fújt levegőn való hűtés, olajban-, vízben való gyors hűtés) a kritikus átalakulási hőmérsékletek és hozzátartozó idők meghatározása a fajtérfogat változáson alapuló differenciál dilatométeres mérésekkel az átalakult szövetelemek mennyiségi meghatározása szobahőmérsékleten mikroszkópi vizsgálattal 15

16 A folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramok jellemzői T - lg t diagramok, amelyeken az austenitesítés hőmérsékletét, valamint a kritikus átalakulási hőmérsékleteket (A c1, A c3, A cm ) mindig fel kell tüntetni a diagramokon különböző hűtési sebességekre vonatkozó hűtési görbék szerepelnek: az átalakulások mindig csak a hűlésgörbék mentén elemezhetők, a diagramon nem szereplő hűlésgörbe berajzolható, figyelembe véve, hogy hűlésgörbék egymást nem keresztezhetik az egyes átalakulások végét jelző vonalaknál az átalakult szövetelemek %-os mennyisége a hűlésgörbék végén a keletkezett végszövet keménysége van feltüntetve 16

17 Hipoeutektoidos acél folyamatos hűtésű átalakulási diagramja a Austenitesítés: 880 o C Hőmérséklet ( o C) a M s a+m t m t f 10 3 p b t p 5 f+p+b +m+a m , Idő (s) f+p 50 f A c3 A c ábra

18 A kritikus hűtési sebességek értelmezése Kritikus alsó hűtési sebesség, amelynél nagyobb hűtési sebesség esetén már keletkezik martensit. Meghatározása a következő összefüggéssel: TA c 500 alsó 3 vkrit t p Kritikus felső hűtési sebesség, amelynél nagyobb hűtési sebesség esetén már csak martensit keletkezik. Meghatározása a következő összefüggéssel: TA c 500 felső 3 vkrit t m 18

19 Hiper-eutektoidos acél folyamatos hűtésű átalakulási diagramja Austenitesítési hőmérséklet: 880 o C a A cm A c1 Hőmérséklet ( o C) a t m c p t p p+c 300 b M s a+m c+b+ m+a c+p+b +m+a Idő (s) ábra

20 A kritikus hűtési sebességek értelmezése Kritikus alsó hűtési sebesség, amelynél nagyobb hűtési sebesség esetén már keletkezik martensit. Meghatározása a következő összefüggéssel: TA cm 500 alsó vkrit t p Kritikus felső hűtési sebesség, amelynél nagyobb hűtési sebesség esetén már csak martensit keletkezik. Meghatározása a következő összefüggéssel: TA cm 500 felső vkrit t m 20

21 Acélok edzésének és megeresztésének metallográfiai alapjai az edzés célja nagy keménységű, nagy szilárdságú szövetszerkezet biztosítása a legnagyobb keménységet az austenit martenzitté való átalakítása eredményezi 100 %-ban martensit a felső kritikusnál nagyobb hűtési sebességgel érhető el az ilyen szövet egyrészt nagy keménysége és szilárdsága mellett rendkívül rideg másrészt a martenzites szerkezet csak meghatározott méretek mellett biztosítható teljes keresztmetszetben (az ún. átedzhető szelvényátmérővel jellemezzük) 21

22 Az edzett acél fogalma az előzők miatt az edzésnél a 100 % martensit mennyiség elérése egyrészt nem is mindig lehetséges másrészt nem is mindig cél ezért edzettnek tekintjük az acélt, ha a szövetszerkezet legalább 50 % martensitet tartalmaz 22

23 A martensit és az edzett acél keménysége a martensit keménységét a ferrit rácsban rekedt fölös C-atomok rácsfeszítő, rácstorzító hatása eredményezi az edzett acél keménysége értelemszerűen kisebb a martensit keménységénél mind a kettő keménysége függ a C-tartalomtól, illetve a C-tartalommal is összefüggő fajtérfogatváltozástól 23

24 A keménység változása a C-tartalom függvényében 900 HV martensit HV edzett Vickers keménység, HV V edzett V lágyított HV lágyított 0,1294 0,1290 0,1286 0,1282 0,1278 0,1274 Fajtérfogat, V (cm 3 /g) ábra 100 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 C-tartalom (%) 24

25 Az edzett acél megeresztésének szükségessége az edzett acél jellemzői a martensit nem-egyensúlyi szövet következésképpen a martensitet tartalmazó edzett szövet sem az jelentős rácstorzulás nagy rácsfeszültség nagy keménység a nem-egyensúlyi állapotot eredményező rácsfeszültség egyrésze hasznos: ez eredményezi az edzési keménységet más része káros: ez okozza az edzési repedékenységet az edzési repedékenységet csökkentő megeresztésre van szükség 25

26 Az edzett acél megeresztése a megeresztés fogalma az edzést követő hőkezelés, amelynek célja az edzés során keletkezett káros rácsfeszültségek csökkentése egyensúlyibb, repedésre kevésbé hajlamos szövetszerkezet biztosítása 26

27 A megeresztés lépcsői és jellemzői a megeresztés során különböző hőmérséklet tartományokban különböző változások, fázisátalakulások játszódnak le ezek a változások ötvözetlen acéloknál három lépcsőben mennek végbe I. lépcső: T < 150 o C II. lépcső: T = o C III. lépcső: T = A 1 ötvözött acéloknál ehhez járul egy negyedik lépcső IV. lépcső: T = A 1 hőmérséklet tartományban 27

28 A megeresztés I. lépcsőjének jellemzői hőmérséklet tartománya: T < 150 o C jellemző változások Fe 2,4 C = Fe 12 C 5 -karbid kiválása + mindezek eredményeként a martensit C-tartalmának csökkenése C=0,1... 0,3 % értékre a rács torzultságának csökkenése az edzett acél keménységének kismértékű csökkenése 28

29 A megeresztés II. lépcsőjének jellemzői hőmérséklet tartománya: T = o C jellemző változások a maradék austenit (ha volt) átalakulása bainitté keménységnövekedés megkezdődik az Fe 2,4 C Fe 3 C karbid átalakulás ezzel továbbfolytatódik a martensit C-tartalmának csökkenése és a martensit keménységének csökkenése 29

30 A megeresztés III. lépcsőjének jellemzői hőmérséklet tartománya: T = A 1 jellemző változások folytatódik az Fe 2,4 C Fe 3 C karbid átalakulás ebben a tartományban a martensit a fölös C-tartalmat lényegében teljesen elveszíti elveszti a rács torzultságát az -fázis átalakul szabályos -fázissá (ferritté) a keménysége jelentősen lecsökken megkezdődik a korábban kivált Fe 3 C karbid-korongocskák koagulálása, gömbösödése kialakul az egyensúlyit legjobban megközelítő megeresztési szövet a szferoidit, amely ferrit mátrixba ágyazott cementit gömböcskéket tartalmaz 30

31 70 A megeresztési hőmérséklet hatása különböző C- tartalmú acélok edzési keménységének változására Keménység (HRC) ,8 % C 0,4 % C 0,15 % C 1,4 % C 30 I. II. III órás megeresztés hőmérséklete 31 ( o C) ábra

32 Edzett acél szferoidites megeresztési szövete (N=1000x, Marószer: Pikral) ábra 32

33 A megeresztés IV. lépcsőjének jellemzői hőmérséklet tartománya: T = A 1 jellemzői csak egyes ötvözött acélokban fordul elő erélyes karbidképző elemek esetén az Fe 3 C karbidból a C-t elvonva ötvözött Me x C y ötvözött szekunder karbidok kiválása következik be ez jelentős keménységnövekedéssel jár a martensites keménységet meghaladó másodlagos keménységet eredményezhet ez természetes keménység (a keletkezett karbidok keménysége) amely a keletkezési hőmérsékletig megmarad ez teszi kiválóan alkalmassá szerszámacélokban való alkalmazását 33

34 A megeresztési hőmérséklet hatása különböző C- tartalmú acélok edzési keménységének változására HV HRC 68,5 66,0 63,0 58,8 53,7 48,1 40, , Megeresztési hőmérséklet ( C) 34 29, ábra

35 A megeresztés idejének hatása az edzési keménység változására Keménység (HV) 500 C o C 450 o C o C h h 6 s 10 min A megeresztés 35 ideje 650 o C ábra

36 A hőmérséklet és az idő együttes hatásának elemzése a megeresztési folyamatokra hőmérséklet és az idő együttes hatását egyetlen diagramban is ábrázolhatjuk a p T (lgt k) paraméter függvényében alkalmazása hőkezelési segédletként cél: előírt keménység biztosítása megoldási lépések a p-paraméter meghatározása az előírt keménységhez a T, vagy t értékének rögzítésével a másik paraméter a fenti kifejezésből számolható 36

37 Edzett acél keménységének változása a p = T (lgt + k) paraméter függvényében HB - Brinell keménység T (lgt + 18) 37 A megeresztés hőmérséklete 350 o C 450 o C 550 o C 650 o C ábra