STRUKTURA I SVOJSTVA MATERIJALA FAZNE PRETVORBE U ČVRSTOM RASTVORU Prof. dr. sc. Ivica Kladarić
STRUKTURA I SVOJSTVA MATERIJALA
FAZNE PRETVORBE U VRSTOM RASTVORU
Prof. dr. sc. Ivica Kladari
OPI ZAKONI FAZNIH PRETVORBI U VRSTOM STANJU
Fazne se pretvorbe u vrstom stanju mogu shvatiti ako se primijene glavni stavci termodinamike i to preko HELMHOLTZOVE slobodne energije.
E = U TS
gdje je: E Helmholtzova slobodna energijaU unutranja energijaT termodinamika temperaturaS entropija.
Iz termodinamikih je zakona poznato da e svi procesi koji se spontano odvijaju u nekom sustavu pri konstantnoj temperaturi teiti dovoenju sustava u stanje minimalne slobodne energije (stanje ravnotee) .
Ravnotea moe da bude stabilna ili metastabilna.
Sustav se nalazi u stabilnoj ravnotei kada je njegova slobodna energija minimalna i u skladu s vanjskim uvjetima, dok metastabilna ravnotea vrijedi kada je slobodna energija minimalna, ali je vea od vrijednosti za stabilnu ravnoteu.Svaka preraspodjela atoma u sustavu iz jedne metastabilne konfiguracije u drugu naziva se transformacija ili pretvorba.
OPI ZAKONI FAZNIH PRETVORBI U VRSTOM STANJUIz izraza E = U TS vidljivo je da e se iznos slobodne energije sniavati porastom temperature, pa e tako za neki eutektoidni elik vrijediti dijagram:
, oC
E
perlitmartenzit
austenit
Shematski prikaz pretvorbi eutektoidnog elika
Dijagram na slici odgovara na pitanja:- zato uope u zadanim uvjetima struktura mijenja oblik,- zato u svrhu austenitiziranja eutektoidni elika treba ugrijati do temperature iznad A1,- zato martenzit ne nastaje neposredno od perlita, - zato austenit treba pothladiti ako se eli postii martenzitna struktura kaljenja,- zato martenzit moe nastati samo pretvorbom austenita.
Presjecita krivulja pokazuju uvjete u kojima su dvije faze u ravnotei.
Ms A1
Normalizacija A PNK
Kaljenje A MPoputanje M P(sferoidiziranje)
P
Austenitiziranje P AA
Kinetiku strukturnih transformacija u vrstom stanju diktiraju openito brzina nukleacije transformirane faze (N) te brzina rasta njezina zrna (G).
Shematski prikaz kinetike transformacije (gore), te promjene brzine transformacije (dolje) pri
ugrijavanju
Toka a: sporo odvijanje transformacije zbog malog broja klica (N)
Toka b: sporo odvijanje transformacije, jer se veina novih zrna sudarila sa susjednima.
Oblik kinetike krivulje ugrijavanja bitno ovisi o visini .
OPI ZAKONI FAZNIH PRETVORBI U VRSTOM STANJU
Osnovna razlika u kinetici pretvorbe (transformacije) su:- pri ugrijavanju nastupa povienje intenzivnosti difuzije- pri ohlaivanju dolazi do snienje intenzivnosti difuzije
(tzv. preklopnih transformacija).
Nastajanje austenita pri ugrijavanjuPojam austenitizacije podrazumijeva dovoenje eljeznih legura (elika i ljevova) ugrijavanjem u podruje jednofaznog ili viefaznog austenita.
Legure Fe-C s
Temperatura austenitizacije (a)Maksimalna a ne treba prekoraiti temperaturu potrebnu da se postigne traeni stupanj otapanja karbida odnosno homogenizacija austenita.
0,8 2,03 %C
perlit + Fe C' ' ' + perlit
723 A
ferit
+ '
A 911
G
, C
normalizacija
kaljenje
E
Ac
+ Fe C' ' m
3
S 1
3
o
3
Dijagram Fe-Fe3C s ucrtanim poljima optimalnih temperatura kaljenja
odnosno normalizacije
Razlozi zbog kojih treba a drati to je mogue niom jesu:- poveana tendencija pojave deformacija i pukotina s viom a- poveana tendencija oksidaciji i razugljienju s viom a- poveani rast zrna strukture pri viim a.
Otapanje strukturnih faza u austenitu
Fe-Fe3C dijagram pri brzom ugrijavanju ne moe posluiti za odreivanje a jer on vrijedi za ravnotene uvjete (vugr0 tugr ).
Npr. Fe3Cid otapa se posljednji, a ne prvi, kako bi to slijedilo iz Fe-Fe3C dijagrama.
Ugrijavanje velikim brzinama pomie transformacijske temperature u vie temp. podruje i mijenja se redoslijed otapanja faza.
Za austenitizaciju elika u neravnotenim uvjetima ugrijavanja slue TTS dijagrami otapanja strukturnih faza (Time-Temperature-Solution) koji uzimaju u obzir trajanje ugrijavanja.
Dijagram otapanja potrebno je snimiti za svaku aru elika.
Otapanje strukturnih faza u austenituIzotermiki dijagram TTSOvaj dijagrama daje odgovore zato u postupku grijanja treba ukljuiti i trajanje dranja nakon progrijavanja.
F+P
Izotermiki dijagram TTS ugljinog elika s 0,7 %C
Na dijagramu je prikazano otapanje strukturnih faza u izotermnim uvjetima za nelegirani elik s 0,7 %C (F+P).
najprije se otapa perlitni ferit, zatim primarni ferit, nakon duljeg dranja perlitni karbid.
Uz vii %C u eliku, otapanje traje krae. Trajanja otapanja rastu s poveanjem udjela Le, pogotovo karbidotvoraca.
Austenitizacija konstrukcijskih elika odvija se u jednofaznom austenitnom podruju, a kod alatnih (nadeutektoidnih) elika veinom u dvofaznom podruju austenit + karbid.
Otapanje strukturnih faza u austenituDijagram TTS za kontinuirano ugrijavanjeIz ovog dijagrama vidljivo je da kod elika porastom brzine ugrijavanja rastu temperature poetka pretvorbi (Ac1 i Ac3).
Za niskolegirane podeutektoidne i eutektoidne ugljine elike kod brzina ugrijavanja izmeu 10 K/s i 1000 K/s povienje temperature pretvorbe u odnosu na ravnotenu temperaturu A1 iznosi:
gdje je: a - faktor ovisan o disperziji karbidav - brzina ugrijavanja u K/s
Dijagram TTS za kontinuirano ugrijavanje elika s 0,7 %C
T = a + 25 log v
Rast austenitnog zrna pri ugrijavanjuPrelaskom kritine temperature Ac3 pri ugrijavanju zavrava pretvorba perlita i ferita u novu razmjerno sitnozrnatu strukturu austenita.
Na rast zrna utjeu:- temperatura austenitizacije;- trajanje austenitizacije;- sastav i nain dobivanja elika.
Pri daljnjem ugrijavanju i dranju na temperaturi austenitizacije austenitna zrna dalje rastu.
Rast zrna treba shvatiti kao sjedinjavanje nekoliko susjednih austenitnih zrna u jedno.
Ako je austenitizacijom stvorena grubozrnata austenitna struktura, nakon kaljenja dobit e se takoer gruboigliasti martenzit, odnosno nakon polaganog hlaenja odgovarajua grubozrnata struktura ferita i/ili eutektoida.
elik s grubim zrnom ima niu vrstou, slabiju udarnu ilavost i veu sklonost krhkom lomu, pa je u veini sluajeva u toplinskoj obradbi nepoeljan, tj. tei se sitnozrnatoj strukturi.
Pothlaenje austenitaVe pri toplinskoj analizi istog Fe utvrdilo se postojanje histereze pri pretvorbi u odnosu na pretvorbu (13oC), iako je i ugrijavanje i ohlaivanje tada bilo vrlo sporo.Budui se snienjem temperature sniava i pokretljivost ugljinih, eljeznih i eventualno legirajuih atoma, to e se i nastale pretvorbene strukture razlikovati po obliku, veliini i rasporedu, to e uzrokovati i razliitost svojstava.Utjecaj vohl na snienje temp. pretvorbe nelegiranog podeutektoidnog elika
Perlit, sorbit i troostit strukturni oblici pravih eljezno-karbidnih eutektoida (mjerljiva difuzija Fe i C atoma)Bainit strukturni oblik nepravih eutektoida (ograniena difuzija C atoma i potpuni izostanak difuzije Fe atoma)
Martenzit strukturni oblik nastao preklopnim mehanizmom (potpuni izostanak difuzije C i Fe atoma)
Transformacija austenita u perlit (i ferit) (AP)Ovu transformaciju karakterizira stvaranje klica i difuzija.to je vee pothlaenje to je raspored C u Fe-masi jednoliniji, tj. lamele su cementita sve ue , a razmak meu njima sve manji.
Znaajke strukturnih oblika PERLITNOG stupnja
Nazivoblika
PothlaenjeT, K
irina Fe3Clamela, m
Razmak Fe3Clamela, m
TvrdoaHV
Perlit do 50 0,4 0,6 0,7 200
Sorbit 150 0,25 0,35 0,25 250 300
Troostit 220 0,1 0,2 0,1 400
Transformacija austenita u perlit (i ferit) (AP)
Oblici izluenog cementita mogu biti:- mreasti, izluen po granicama perlitnih zrna, ako se nadeutektoidni elik
sporo hladi iz monofaznog austenitnog podruja ili ako se proizvoljno ohlauje iz bifaznog podruja (A + Fe3C), kada zapravo ostaje nepromijenjen
- igliasti, ako se visokougljini elik osrednje brzo ohladi s vrlo visoke temperature iz podruja monofaznog austenita.
Ovisno o sastavu elika i intenzivnosti hlaenja austenit e se transformirati:- u podeutektoidnim elicima u primarni ferit i perlit,- u nadeutektoidnim elicima, hlaenjem iz bifaznog podruja A+K,
austenit e se pretvoriti u perlit, a karbidi e ostati nepromijenjeni,- u nadeutektoidnim elicima, hlaenim iz podruja monofaznog
austenita, nastat e smjesa perlita i sekundarnih karbida.Oblici izluenog primarnog ferita mogu biti:- masivni ferit u niskougljinim elicima,- ferit po granicama zrna perlita pojavljuje se kod vieugljinih
podeutektoidnih elika sporo ohlaenih s temperature austenitiziranja,- Widmannstttenova struktura nastaje brzim hlaenjem
srednje-ugljinog elika s visoke temperature austenitiziranja.
Transformacija austenita u bainit (AB)
Pri temperaturama izmeu 500 i 400oC jo difundiraju atomi C osiromauju djelomino austenit transformira se u ferit izlueni C stvara karbide po granicama i u unutranjosti prezasienog ferita.
100% Aizotermiko dranje
A
100% B
Izotermiki dijagram TTT elika 4732
nastaje gornji bainit.Pri izotermama izmeu 500 i 400 oC
nastanak gornjeg bainita
Pothlaenjem austenita na neku temperaturu izmeu tjemena krivulje TTT i temperature Ms(obino izmeu 500 i 350 oC) te izotermiko dranje dovest e do transformacije austenit u bainit.
Transformacija austenita u bainit (AB)
100% Aizotermiko dranje
A
100% B
Izotermiki dijagram TTT elika 4732
Pri izotermama ispod 400 oC nastaje donji bainit.
nastanak donjeg bainita
Pri temperaturama ispod 400 oC dolazi gotovo do zakoenja difuzije C Feritne iglice sadre u unutranjosti sitne precipitatne karbide (tzv. -karbidi Fe2,4C) Po granicama zrna nema tih karbida.
Transformacija austenita u bainit (AB)1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
40
30
20
10
0
, N/mm
45 4035 30 25 20 15 10
H RC
pothla| enje T, K
A , Z , %
R
H RC
R
bainit
gornji donji
Z
A
723
m
p0,2
perlit
2
o Pothlaenje T, K723oC
Rm
Rp0,2
HRC
Z
A
perlit bainit
gornji donji
Postignuta mehanika svojstva eutektoidnog elika (izotermika obradba) ovisno o stupnju pothlaenja ispod 723oC
Transformacija austenita u martenzit (AM)
Povienjem brzine hlaenja do donje kritine brzine nastaje preklopna transformacija
Sporim ohlaivanjem A omoguena difuzija
stvara se martenzit.
Povienjem brzine ohlaivanja A potiskuje se difuzija sve jae pothlaenje austenita.
Shematski prikaz nastanka martenzita od austenita:
a
a
a
FeC
C - atom intersticijski rastvoren u sastavu -reetke na nekoj >A1.
naglim hlaenjem
aM
cM
cM
C - atom prisilno otopljen u sustavu -reetke.
stvara se ferit i cementit.
Konstante reetke: a=0,287 nma=0,365 nmaM= acM> aM (ovisno o %C)
Reetka martenzita je tetragonski istegnuta.
VM > VF
Ca
c
M
M %046,01 +=
omjer cM/aM >1 stupanj tetragonalnosti
Temperatura poetka stvaranja martenzita oznaava se s Ms, a zavretka sa Mf.
Pretvorba austenita u martenzit (AM)
Temperaturno podruje stvaranja martenzita ugljinih elika
Tvrdoa martenzita ovisna o %C u eliku____ gaen iz bifaznog podruja------ gaen iz monofazng podruja
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 %C
, oC
500-
400-
300-
200-
100-
0-
-100-
Ap Ap+K
20-
Ap+M Ap+K+M
MsM
MfAz+K+M
HV900 800 700 600 500 400 300 200 I I I I I I I I
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 %C
Az+K+M
Az+M
Martenzit elika s 0,45 %C, gaeno s 900oC u vodiuveanje 500:1
Martenzit i zaostali austenit elika s 1,6 %C, gaeno s 1100oC u vodi
uveanje 500:1
U visokougljinim elicima stvara se igliasti martenzit (ploice leastog poprenog presjeka).Mikrostruktura martenzitno gaenih legura
iglica rebro
Shematski izgled igliastog martenzita
zaostali austenit
Uz visoku tvrdou ovu vrstu martenzita karakterizira i visoka krhkost koju e trebati ublaiti snienjem stupnja tetragonalnosti u postupku poputanja.
A A M M A M A
> M M
< M < M (ali > M ) A
z
s s s s f
Shematski prikaz nastajanja iglica visokougljinog martenzita
U niskougljinim elicima (s
Obje vrste martenzita nastaju atermiki (samo padom tempere).Kinetika transformacije AM
Svaki prekid ohlaivanja izmeu Ms i Mf izazvat e stabilizaciju jo nepretvorenog austenita, a posljedica je toga da se niti pri Mf nee sav austenit transformirati u martenzit.
%M %A
,oC
100
MsMf
%
0
Opa kinetika krivulja atermikog nastanka martenzita
Prikaz djelovanja prekida hlaenja pri temperaturi z
%M %A
,oC
100
MsMf
%
0zMs