- 11. Előadás Acélok nem-egyensúlyi átalakulási diagramjai Izotermás és folyamatos hűtésű átalakulási diagramok 1
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
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
Izotermás átalakulási diagramok kísérleti meghatározásának elvi ábrája Hőmérséklet ( o C) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 Austenit M s Martensit Austenit 293 HV 383 HV 413 HV A 1 Perlit HV ~170 Bainit 0,1 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 Idő (s) 700 1 2 3 4 650 5 600 6 550 7 8 910 500 10 10 2 10 3 10 4 4 Idő (s) HV 1 2 34 5 6 78 910 9.5. ábra
Eutektoidos acél ma használatos izotermás átalakulási diagramja Hőmérséklet ( o C ) 800 700 T 1 =650 600 500 T 2 =400 300 200 100 0 a M s 2 3 1 10% 50% 90% M f (99%) B s a a+p a+m m -100 0,1 1 10 10 2 10 3 10 4 B f Austenitesítés: T=830 o C a+b (20 o C) 1 2 A c1 b p Bainites Perlites Martensites Idő (s) 9.18. ábra 5
T ( o C) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 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 9.19. ábra T ( o C) 900 800 700 600 500 400 300 200 100 B s M s a a+p m a+b Austenitesítés: 820 0 C B f a+f+p a+f A 3 A 1 f+p p+b 0,1 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 b Idő (s) 6
Hiper-eutektoidos acél izotermás átalakulási diagramja 900 a Ausztenitesítés: 920 o C A cm 800 a a+c A 1 Hőmérséklet ( o C) 700 600 500 400 300 B s a a+c+p Bf a+b c+p b+p b 200 M s 100 m 9.20. ábra 0,1 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 Idő (s) 7
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
A folyamatos hűtés hatása acélok átalakulására
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
A hűtés sebességének hatása az egyensúlyi átalakulásokra 1300 1200 C 1100 (austenit) E Hőmérséklet, o C 1000 900 800 G 700 P 600 500 400 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 300 200 Ar''=M s >500 o C/s 100 0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 11 C, %
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
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
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
A folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramok kísérleti felvétele Kisméretű próbatestek homogén austenites állapotba hevítése hipoeutektoidos acélra: A c3 + 20 30 o C hipereutektoidos acélra: A cm + 20 30 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
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
1000 900 Hipoeutektoidos acél folyamatos hűtésű átalakulási diagramja a Austenitesítés: 880 o C Hőmérséklet ( o C) 800 700 600 500 400 300 200 a M s a+m t m t f 10 3 p 70 10 b 20 25 80 17 75 t p 5 f+p+b +m+a 583 100 600 558 318 m 533 274 274 224 0,1 1 10 10 2 10 3 10 4 30 70 Idő (s) 17 50 f+p 50 f 210 60 40 A c3 A c1 232 9.27. ábra
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
Hiper-eutektoidos acél folyamatos hűtésű átalakulási diagramja 900 800 700 Austenitesítési hőmérséklet: 880 o C a A cm A c1 Hőmérséklet ( o C) 600 500 400 a t m c p t p p+c 300 b 200 100 M s a+m c+b+ m+a c+p+b +m+a 1 10 10 2 10 3 10 4 10 5 Idő (s) 19 9.28. ábra
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
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
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
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
A keménység változása a C-tartalom függvényében 900 HV martensit HV edzett Vickers keménység, HV 700 500 300 V edzett V lágyított HV lágyított 0,1294 0,1290 0,1286 0,1282 0,1278 0,1274 Fajtérfogat, V (cm 3 /g) 9.29. ábra 100 0,1270 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 C-tartalom (%) 24
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
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
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 = 100-280 o C III. lépcső: T = 280 - A 1 ötvözött acéloknál ehhez járul egy negyedik lépcső IV. lépcső: T = 500 - A 1 hőmérséklet tartományban 27
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
A megeresztés II. lépcsőjének jellemzői hőmérséklet tartománya: T = 150-280 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
A megeresztés III. lépcsőjének jellemzői hőmérséklet tartománya: T = 280 - 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
70 A megeresztési hőmérséklet hatása különböző C- tartalmú acélok edzési keménységének változására Keménység (HRC) 60 50 40 0,8 % C 0,4 % C 0,15 % C 1,4 % C 30 I. II. III. 0 100 200 300 1 órás megeresztés hőmérséklete 31 ( o C) 9.31. ábra
Edzett acél szferoidites megeresztési szövete (N=1000x, Marószer: Pikral) 9.32. ábra 32
A megeresztés IV. lépcsőjének jellemzői hőmérséklet tartománya: T = 500 - 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
A megeresztési hőmérséklet hatása különböző C- tartalmú acélok edzési keménységének változására HV 1000 800 600 400 1230 1290 900 1000 HRC 68,5 66,0 63,0 58,8 53,7 48,1 40,5 200 15,0 0 200 400 600 800 Megeresztési hőmérséklet ( C) 34 29,7 9.31. ábra
A megeresztés idejének hatása az edzési keménység változására Keménység (HV) 500 C35 400 300 350 o C 450 o C 200 550 o C 100 0 1 1h 10 100 1000 h 6 s 10 min A megeresztés 35 ideje 650 o C 9.33. ábra
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
Edzett acél keménységének változása a p = T (lgt + k) paraméter függvényében HB - Brinell keménység 450 350 250 150 10 12 14 16 18 20 22 10-3 T (lgt + 18) 37 A megeresztés hőmérséklete 350 o C 450 o C 550 o C 650 o C 9.33. ábra