-
6 FAZNE PROMENE U
VRSTOM STANJU KOD ELIKA
Fazne promene kod elika nastaju zahvaljujui polimorfiji gvodja i
opadanju rastvorljivosti ugljenika u gvodju sa padom
temperature.
Teorija faznih promena kod metala predstavlja danas jednu od
osnovnih oblasti moderne nauke o metalima zasnovane na poznavanju
fizike metala, fizike hemije i kristalografije. Bavi se pre svega
opisom reakcija pri termikoj obradi metala i le-gura sa
rasvetljavanjem uzroka, mehanizama i pogonskih sila ovih
reakcija.
Studija faznih promena u vrstom stanju kod metala nema dugu
istoriju: poe-tak dosee do godine 1868., kada je bio objavljen rad
ernova koji predstavlja je-dan od kamena temeljaca za izuavanje
faznih promena. Dalji je razvoj ove disci-pline bio veoma brz;
razvoj eksperimentalnih metoda, naroito u poslednje vreme, omoguio
je da se umesto opisa reakcija u vrstom stanju, d njihov
kvantitativan prikaz.
Difuzione fazne promene poinju grupisanjem atoma, zatim
obrazovanjem kli-ca i njihovim daljim rastom (slino kao pri
kristalizaciji). Ove promene su rezultat prirodne tenje sistema (u
ovom sluaju Fe-C) da svoju slobodnu energiju svede na minimum
podoban datoj temperaturi. Ravnotea dveju faza u jednokomponentnom
sistemu (npr. tenog i ovrslog gvodja pri konstantnoj temperaturi)
uslovljena je jednakou njihovih slobodnih energija, a ravnotea u
viekomponentnom sistemu jednakou hemijskih potencijala, tj. prvog
izvoda slobodne energije po koncentra-ciji (vidi sl. 4.10, gde G/c
pokazuje da je stabilniji sistem austenit-grafit nego sis-tem
austenit-cementit).
U celini posmatrano fazne promene se ostvaruju obrazovanjem
klica (nukleusa) i rastom klica. Intenzitet ovog kinetikog procesa
izraava se brzinom nukleacije (broj novostvorenih klica u jedinici
vremena i zapremine poetne faze) i linearnom brzinom rasta
(pomeranje granica faza u jedinici vremena). Ukupna brzina prome-ne
vp predstavlja zbir brzine nukleacije (vn) i linearne brzine (vr)
(sl. 6.1).
-
Mainski materijali
132
Strukturne promene pri termikoj obradi se ostvaruju u grupi
kristala, to znai da e na njihov tok imati uticaj i kristalografski
odnosi izmedju poetne i novonas-tale faze.
Uslov za dalji rast klica je da one dostignu kritinu veliinu
(vidi sl. 3.4) i da se daljim grupisanjem atoma smanjuje slobodna
energija sistema. Verovatnoa da se iz klice stvori nova faza
utoliko je vea ukoliko je dovoljan manji kritian nukleus koji moe
nastati i pri maloj aktivacionoj energiji nukleacije. Na brzinu
promene utiu istovremeno dva faktora: stepen pothladjivanja i
brzina difuzije, to se moe uoiti ako se prate promene austenita na
nekoj konstantnoj temperaturi (izotermi-ka promena ispod 727C).
Ispod ove temperature austenit je nestabilna faza, pa se menja u
perlit jer je slobodna energija austenita vea nego perlita. to je
vei ste-pen pothladjivanja (T) raste razlika slobodnih energija A
PG G G = , pa se bre odvija transformacija austenita u perlit. Ali,
sa porastom T, tj. sniavanjem reakcione temperature smanjuje se
brzina difuzije, to usporava kako brzinu nukleacije tako i brzinu
rasta. Kao rezultat ova dva protivurena uticaja, brzina promene
austenita u poetku raste sa poveanjem stepena pothladjivanja (T),
dostie maksimum na oko 550C i najzad opada dostiui gotovo nultu
vrednost na 216C za eutektoidni elik (sl. 6.1). Ispod ove
temperature nastaju bezdifuzione promene.
Tem
pera
tura
vr, vn, vp
T0 = 727C
vr
vp
vn
Vreme promene
Brz
ina
nukl
eaci
je (v
n)B
roj k
lica
u je
dini
ci z
apre
min
e (n
)
vn
n
Bezdifuziona promenaT3 216C
T3
T2
T1
Slika 6.1 Uticaj pothladjenja na kinetike Slika 6.2. Zavisnost
broja klica (n) i parametre promene brzine nukleacije (vn) od
vremena promene
Pri prouavanju faznih promena, brzina nukleacije pri izotermikoj
promeni moe se odrediti na osnovu broja estica nove faze na
jedininoj povrini uzorka pri razliitim vremenima reakcije; grafikim
diferenciranjem krive: broj estica - vreme dobija se ta brzina (sl.
6.2). ee se odredjuje ukupna brzina promene tako to se
metalografski ili dilatometrijski utvrdjuje koliina nove faze.
Trenutak kada se obrazuje 0.5% nove faze smatra se za poetak
promena, a kada se formira 99.5% nove faze, to je kraj promene (sl.
6.3). Vremenski interval do poetka promene (gde je brzina promene
veoma mala) oznaava se kao period stabilnog austenita ili vreme
inkubacije. Nacrtamo li inkubacioni period i stvarno vreme reakcije
u dija-gramu temperatura - vreme za ceo interval moguih
transformacionih temperatura,
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
133
npr. eutektoidnog elika, dobijamo tzv. krivu poetka i krivu
zavretka izotermike promene (sl. 6.4).
0.5
99.5
T2 T3 T1
Vreme
Koli
ina
nast
ale
faze
, %
T1 700CT2 550CT3 250C
Slika 6.3 Kinetike krive izotermike promene
Kao to je ve bilo spomenuto, fazne promene metala i legura
ostvaruju se u kristalnim grupama, te se zato ne moe zanemariti
veza prvobitne kristalne reetke i novostvorene faze. U
kristalografskim reetkama raznih tipova postoje ravni i pravci u
kojima je razmetaj vornih taaka uzajamno slian (npr. ravan [111] i
pravac u povrinski centriranoj kubnoj reetki i ravan [110] i pravac
u prostorno centriranoj kubnoj reetki).
Reetke nove faze se prvenstveno orijentiu tako da odgovarajue
ravni i pravci u njima budu saglasne ravnima i pravcima sa slinim
razmetajem vorova u pola-znoj fazi. Ako je saglasnost potpuna,
atomi na dodirnim povrinama popunjavaju istovremeno vorove nove i
prvobitne reetke - zadran je kontinuitet reetke obe faze - obe
reetke su koherentne; govorimo o koherentnoj nukleaciji. Iz
koherent-nih klica stvara se nova faza koja zadrava kontinuitet
stare reetke pa se stoga iz-
medju dvaju faza javlja veoma ma-la povrinska energija. Da bi ta
granina povrina bila koherentna, klica moe formirati metastabilnu
reetku (blisku reetki prvobitne fa-ze - matrice) ili reetku nove
faze deformisanjem pribliiti matinoj reetki. Prve klice nove faze
pojav-ljuju se na mestima greki kristalne reetke, uglavnom na
granicama kristalnih zrna (vidi sl. 6.10a). To znai da kod
polikristalnih materi-jala, grupisanje atoma nove faze poinje oko
stranih estica i da se tu odigrava heterogena nukleacija.
Poetak promene
Kraj promene
T1
T2
T3
T0
Tem
pera
tura
Vreme
Vremeinkubacije
Vremepromene
Slika 6.4 Kinetiki dijagram izotermike promene
-
Mainski materijali
134
6.1 Promena pothladjenog austenita
Pri veoma sporom hladjenju austenita ugljeninog podeutektoidnog
elika, po-inje izluivanje ferita ispod kritine temperature A31, a
kod nadeutektoidnih elika poinje formiranje sekundarnog cementita
ispod take ACm (sl. 6.5). Te se faze iz-luuju do temperature
eutektoidne linije u koliini koja se moe ustanoviti u ravno-tenom
dijagramu pravilom poluge. Posle dostizanja eutektoidne temperature
preo-stali austenit se menja u perlit. Pri veim brzinama hladjenja
moe se privremeno zadrati homogena austenitna struktura i na
temperaturama ispod A1, pa se velii-nom temperature pothladjivanja
moe uticati u relativno irokom opsegu na raspad pothladjenog
austenita.
Sutina raspada austenita u ravnotenim uslovima vezana je za
polimorfnu promenu austeni-ta u ferit to dovodi do sniava-nja
koncentracije ugljenika u vrstom rastvoru i obrazovanja cementita.
Promena povrinski centrirane reetke u prostorno centriranu reetku
ostvaruje se s jedne strane difuzijom atoma gvodja i s druge strane
difuzi-jom atoma ugljenika. Obe vrste difuzije (supstitucijska i
intersti-cijska) zavise od temperature raspada austenita. U
uslovima bliskim ravnotenim (to znai pri malom pothladjenju)
odvija-e se reakcije kako difuzijom gvodja (i supstitucijski
rastvo-
renih atoma primesa), tako i difuzijom ugljenika. Npr. austenit
sa eutektoidnom koncentracijom se u opisanim uslovima raspada u
smesu ferita i cementita tj. u per-lit; perlitna promena je dakle
uslovljena difuzijom gvodja i ugljenika.
Pri veem pothladjivanju austenita do temperature pri kojoj
brzina difuzije gvodja i supstitucijski rastvorenih primesa opada
do zanemarljivih vrednosti, osta-je mogunost difuzije atoma
rastvorenih intersticijski (pre svega ugljenika), nastaje bejnitna
promena; produkt raspada austenita u ovakvim uslovima je bejnit -
nerav-notena smesa ploastih (iveriastih) kristala prehladjenog
vrstog rastvora i sit-nih karbidnih estica. Pri znatnom
pothladjivanju austenita, kada su obe vrste difu-zije onemoguene,
dolazi do bezdifuzione martenzitne promene; produkt ovakve promene
austenita jeste neravnoteni, presieni vrst rastvor ugljenika u -
gvo- 1 Definicije kritinih temperatura elika date su u tablici
7.1.
Koncentracija C
Tem
pera
tura
G
S
EIzluivanjeproeutektoidnogperlita
Izluivanjeproeutektoidnogcementita
Difu
zion
a pr
omen
aBe
zdifu
zion
a
Difu
zija
inte
rstic
. ato
ma
Difu
zija
sup
stitu
c. a
tom
a
Perlitna promena
Bejnitna promena
Martenzitna promena
+ + Fe3C
Slika 6.5 Oblasti glavnih promena pothladjenog austenita
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
135
dju tetragonalni martenzit. Obrazovanje martenzita nije praeno
difuzijom ato-ma, odvija se velikom brzinom koja dostie brzinu od
1000 m/s. Temperaturske ob-lasti tri osnovna tipa promena
pothladjenog austenita prikazane su na slici 6.5.
Kod podeutektoidnih ili nadeutektoidnih elika promene austenita,
pri sporom hladjenju poinju izluivanjem ferita odnosno sekundarnog
cementita. Te se pro-mene oznaavaju kao proeutektoidne i imaju
veliki uticaj na strukturu i osobine e-lika i na potonje promene
preostalog austenita.
6.1.1 Obrazovanje proeutektoidnih faza
Proeutektoidni ferit ili sekundarni cementit se mogu izluivati
iz austenita onda kada se ta matina faza presiti samo sa jednom ili
sa obe niskotemperaturske faze1. Npr. proeutektoidni ferit moe
nastati onda kada sastav i temperatura austenita od-govaraju takama
u ravnotenom dijagramu gvodje-ugljenik, koje lee ispod krive GS
(npr. taka A, sl. 6.6) i u neravnotenim uslovima iznad produetka
krive SE (npr. taka B). Slino e se i u nadeutektoidnom eliku
izluivati proeutektoidni cementit, budu li sastav i temperatura
austenita dati takom koja lei ispod krive SE, ali i iznad produetka
krive GS (npr. taka C za ravnotene i D za neravnote-ne uslove). Ako
bi razmatrana taka leala ispod obeju krivih (npr. take E', F), bio
bi austenit presien kako feritom (tj. gvodjem) tako i cementitom
(tj. ugljenikom). U takvim bi se uslovima iz austenita izluivali
istovremeno ferit i cementit - odvi-jao bi se onda eutektoidni
raspad pothladjenog austenita i bez proeutektoidnih rea-
kcija. Tako nastaje perlit drukijeg sastava ( 0.77% C) tzv.
kvazi - eu-tektoid.
Kod podeutektoidnih ili nadeu-tektoidnih elika (pri sporom
hladje-nju) posle proeutektoidnih promena sledi eutektoidna promena
kada se preostali austenit menja u perlit. Ta promena ne utie na ve
izdvojeni proeutektoidni ferit ili cementit.
Ako je brzina hladjenja austenita dovoljno mala, takodje je i
pothlad-jivanje (i presienje) austenita malo, onda e i
termodinamika pogonska sila promene (Gu) biti mala. Klice
proeutektoidnih faza mogu u takvim uslovima nastati samo na mestima
gde je dovoljna i niska aktivaciona energija. Zato pri malom
pothladje-
1 Niskotemperaturske faze kod ugljeninih elika su ferit i
cementit.
Koncentracija C, %
Tem
pera
tura
, C
G
A
B
S
E'
FD
C
E
727C
675C
0.65% 0.77% 1.0%
Slika 6.6 Oblast stabilne i metastabilne ravnotee u sistemu Fe -
C
-
Mainski materijali
136
nju klice proeutektoidnih faza nastaju bez izuzetka na granicama
austenitnih zrna i one rastu malom brzinom, opet prvenstveno du
granice zrna austenita. Pri malom pothladjenju se stoga obrazu-ju
mreaste proeutektoidne faze, du granice austenitnih zrna (sl.
6.7).
Pri veim brzinama hladjenja, to znai pri veem pothladjivanju (i
presi-enju) austenita, kao posledica dovoljno velike promene
slobodne energije G mogue je da se klice proeutektoidne fa-ze
pojave i na mestima gde je potrebna
vea aktivaciona energija nukleacije; takodje e brzina rasta
klice u tim uslovima biti vea. Tada je energetski povoljnije da se
obrazuje ferit u obliku iverica iji su iljci usmereni ka sreditu
austenitnih zrna (sl. 6.8) nego da dodje do ravnomernog zadebljanja
mreaste feritne faze. Tako nastaje nepovoljna tzv. Vidmantetenova
struktura, koju posle potonje perlitne promene preostalog austenita
ine iverice fe-rita i zrna perlita.
Obrazovanje Vidmantetenovih ploica omoguuje ubrzavanje promena
jer je porast debljine mreaste faze povezan sa veim difuzionim
putevima ugljenika. Trenutak kad prestane zadebljanje mreaste faze,
i pone formiranje Vidmantete-nove strukture zavisi i od veliine
austenitnih zrna. Ta se struktura pojavljuje veo-ma esto u elinim
odlivcima (0.2-0.4% C), koji imaju grubo poetno austenitno zrno.
Kod plastino preradjenih elika njihovo austenitno zrno je u osnovi
sitnije, pa se navedena struktura (Vidmantetenova) redje javlja,
uglavnom u zoni uticaja toplote zavarenog spoja, u kojoj moe zrno
austenita znatno porasti.
Pojava Vidmantetenove strukture je jedan od uzroka krtosti
elinih odli-vaka u stanju po livenju; zato se elini odlivci termiki
obradjuju postupcima arenja sa faznim promenama ime se austenitno
zrno usitnjava. Takodje je iz ovih razloga pogodno, kod zavarenih
elinih delova, izvesti prekristalizacio-no arenje (iznad AC3), ili
jo bolje normalizaciju.
Na pojavu Vidmantetenove struk-ture utie pored veliine
austenitnog zr-na takodje i temperatura pothladjivanja i sastav
austenita. Oblast temperatura i koncentracija gde se pojavljuju
mreas-te proeutektoidne faze du granice aus-
Austenit
Mreasteproeutektoidnefaze (ferita ilicementita)
Slika 6.7 Mreaste proeutektoidne faze na granicama austenitnih
zrna
Vidmantetenove ploice (iverice)proeutektoidne faze
Austenit
perlit727C
Slika 6.8 Pojava Vidmantetenovih ploica (iverica) proeutektoidne
faze
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
137
tenitnih zrna, Vidmantetenove ploice ili zrnasta struktura
proeu-tektoidnih faza, oznaene su na sl. 6.9. Zrnasta struktura
proeutektoid-nog ferita nastaje u elicima sa nis-kim sadrajem
ugljenika, gde je udeo te proeutektoidne faze visok.
Slino kao proeutektoidni ferit, javlja se i proeutektoidni
cementit (sekundarni) u strukturi nadeutek-toidnih elika u
razliitim oblicima (mreasti, Vidmantetenove ploice ili iverice)
(sl. 6.9, C > 0.77%). Zr-nasta struktura proeutektoidnog
cementita se kod nadeutektoidnih elika ne pojavljuje.
6.1.2 Perlitna promena
U ravnotenim uslovima, iz austenita koji sadri 0.77% C izdvaja
se (pri kon-stantnoj temperaturi, 727C) smesa ferita (~ 88%) i
cementita (~ 12%), koja se na-ziva eutektoidni perlit. Pri veim
brzinama hladjenja perlit nastaje iz austenita i is-pod 727C sve
dok je termodinamiki mogue da se iz -faze izlue istovremeno ferit i
cementit. Za to je neophodna dovoljno visoka temperatura za
difuziju uglje-nika, kao i difuziju gvodja i supstitucijski
rastvorenih atoma primesa. Temperatu-ru i hemijski sastav poetnog
austenita, koji se moe transformisati u perlit, daje oblast
metastabilne ravnotee tri faze (austenita, ferita i cementita)
omedjena pro-duenim krivama GS i ES ispod eutektoidne linije (sl.
6.6). U ovim uslovima kon-centracije ugljenika i temperature
raspada austenita moe nastati perlitna struktura. Posle dovoljno
brzog hladjenja, kada je austenit pothladjen do rafirane oblasti
(sl. 6.6) moe se dobiti isto perlitna struktura kako kod
podeutektoidnih, tako i nadeu-tektoidnih elika bliskih eutektoidnom
sastavu. Ispitivanjem je utvrdjeno da kvazi-eutektoidni perlit moe
nastati pri sadraju ugljenika u eliku od 0.65-1% C, i do
temperature pothladjivanja od 675C. Udeo cementita u
kvazi-eutektoidnom perlitu podeutektoidnog elika, bie manji od
ravnotenih 12%, a ferita vie od ravnote-nih 88%. Obrnuto vai za taj
perlit kod nadeutektoidnog elika.
Poto je perlit sastavljen od estica (obino lamela) dvaju faza,
pri obrazovanju perlita mora se pojaviti klica kako ferita, tako i
cementita. Prvonastala faza oznaa-va se kao tzv. "aktivni zametak".
Dok se dugo pretpostavljalo da je taj "aktivni za-
G
S
E
727C
Koncentracija C, %0.022 0.77 2.11
Tem
pera
tura
, C
Poliedarskazrna ferita
Mreasteproeutektoidne
faze
Vidmantetenove ploice (iglice)
Slika 6.9 Oblasti pojave proeutektoidnog ferita i sekundarnog
cementita razliite morfologije
-
Mainski materijali
138
metak" (tzv. vodea faza) uvek cementit, pokazalo se danas da to
moe biti takodje i ferit. Za uslove potladjivanja kad se iz
austenita ne izluuju proeutektoidne faze ve se austenit transformie
direktno u perlit, pojavie se kao aktivna klica ona faza koja bi se
i inae izluila iz austenita u ravnotenom dijagramu. Npr. u
austenitu, iji sastav i temperaturu odredjuju take koje lee (u
rafiranoj oblasti) blie produ-etku krive SE, aktivni zametak bie
ferit; pri temperaturama i sastavima austenita bliskim produetku
krive GS to e biti cementit (sl. 6.6).
a)
b)
Slika 6.10 Shema transformacije austenita u perlit kod
eutektoidnog elika: a) iz jednog zrna, b) iz grupe zrna
Struktura i morfologija1 perlita usko zavise od mehanizma
njegovog nastajanja. Vremenski redosled nastanka perlita prikazan
je na slici 6.10a,b. Aktivni zametak perlitne promene je cementit.
Poto je sadraj ugljenika u toj klici znatno vii nego u poetnom
austenitu, njegovo stvaranje je uslovljeno difuzijom ugljenika iz
okol-nog austenita, u kome koncentracija ugljenika opada. U tako
osiromaenom auste-nitu lako nastaje klica ferita. Poto ferit
rastvara gotovo zanemarljivu koliinu ug-ljenika, difunduju atomi
ugljenika do susednih austenitnih oblasti, koje se presiuju
ugljenikom upravo do vrednosti potrebne da se obrazuje cementit;
promena se nas-tavlja naizmeninim obrazovanjem cementita i
ferita.
Ove faze ometaju jedna drugu pri bonom rastu, pa preteno rastu
eono, tj. po duini u pravcu upravnom na granice austenitnih zrna
(sl. 6.10). Lamele ferita i cementita uzajamno su paralelne, tako
da obrazuju kolonije zrna perlita. Na nekim mestima se sluajno moe
pojaviti drukije orijentisana klica, za kojom rastu nove perlitne
kolonije (sl. 6.10b). 1 Morfologija (gr.), nauka o oblicima.
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
139
Perlitne kolonije (zrna) su dakle sastavljene od dvaju vrsta
estica koje se pri rastu medjusobno dopunjuju. Prema ovom modelu
dovoljne su za pojavu kolonije samo dve klice: jedna feritna, druga
cementitna. Obe klice izrastaju na poetku per-litne promene
odvojeno kao kompaktna zrna a u toku rasta se razgranjavaju.
Perlitna promena je stacionaran proces u smislu konstantne
linearne brzine e-onog rasta lamela i zadravanja istog hemijskog
sastava, koji odgovara poetnom austenitu. Stacionarnost perlitne
promene ne znai da se u toku vremena ne menja brzina obrazovanja
perlita u jedinici vremena u jedininoj zapremini sistema (vidi npr.
sl. 6.3).
Brzina perlitne promene je, slino kao i brzina bilo koje druge
difuzne prome-ne, data brzinom nukleacije i brzinom rasta.
Nukleacija perlita je tipian primer he-terogene nukleacije; klice
se obrazuju iskljuivo na granicama austenitnih zrna (sl. 6.10a).
Pri malom pothladjenju brzina nukleacije je mala (stvara se mali
broj klica u jedinici vremena i zapremine), a sa porastom
pothladjivanja se poveava.
Za trasformacije pri malom pothladjenju se pretpostavlja da na
jedno austenitno zrno dolazi samo jedna klica, pa e rezultujua
perlitna struktura biti gruba. Sa opadanjem reakcione temperature
poveava se broj klica, pa perlitna zrna postaju sitnija, a
medjulamelarna udaljenost (debljina dvojne lamele: ferit +
cementit) se smanjuje. U okolini temperature 550C nastaje veoma
sitan perlit koji se nekada oznaavao kao trustit. Usitnjavanjem
perlitnih zrna dolazi do porasta ne samo tvr-doe, napona teenja i
jaine elika, ve i svojstava plastinosti i ilavosti. Razlog tome je
to je kod finijih zrna vea povezanost duktilnog ferita i krtog
cementita.
Na perlitnu promenu utiu u znatnoj meri takodje i primese i
legirajui elemen-ti u eliku. Svi dodati elementi izuzev kobalta i
aluminijuma usporavaju tok perlit-ne promene time to smanjuju kako
brzinu nukleacije tako i brzinu rasta. Prema svom afinitetu ka
ugljeniku i delovanju na transformacionu temperaturu hemijski
elementi se raspodeljuju izmedju ferita i karbida; npr. nikal,
aluminijum i silicijum su koncentrisani u feritu (vrsti
supstitucijski rastvor), a u cementitu ostaju znatno nie od
njihovog srednjeg sadraja u eliku. Suprotno tome, mangan i hrom,
koji imaju vei afinitet prema ugljeniku nego gvodje, grade legirane
karbide ((Fe, Mn)3C, (Fe, Cr)3C). Relativno jednostavna perlitna
promena kod ugljeninih elika se znatno komplikuje kod legiranih
elika, naroito ako je elik legiran kar-bidotvornim elementima (Cr,
V, Mo, W) i ako je pothladjenje austenita malo. Umesto cementita
javlja se u smesi sa feritom druga karbidna faza (legirani karbid)
koja ima sopstvenu kristalnu reetku i visok sadraj karbidotvornih
elemenata.
6.1.3 Martenzitna promena
Ova vrsta promene austenita naziva se bezdifuziona jer se odvija
na temperatu-ri ispod 216C, gde difuzija kod eutektoidnog elika
prestaje. Opti principi mar-tenzitne promene bili su opisani u
glavi 5. Iz ravnotenog dijagrama Fe-Fe3C (vidi sl. 4.3) uoava se
visoka sposobnost austenita da rastvara ugljenik. Suprotno tome
rastvorljivost ugljenika u feritu je gotovo zanemarljiva. Ako se
austenit sa koncen-
-
Mainski materijali
140
tracijom ugljenika C1 [(C1)] hladi veom brzinom nego to je tzv.
kritina brzina, ostae koncentracija ugljenika u vrstom rastvoru
ista: 1 1( ) ( )C C .
Atom C
Atomi Fe
a = b = 0.2845 nmc = 0.297 nm
0
20
40
60
80
100 0
20
40
80
60
1001000 200-100-200
Mf
Ms
Temperatura, C
Koli
ina
aust
enita
, %
Koli
ina
mar
tenz
ita,
%
Ms - Martensite startMf - Martensite finish
a) b)
Slika 6.11 Martenzitna tetragonalna reetka (a) i kinetika kriva
promene austenita u martenzit (b)
vrst rastvor jako presien ugljenikom naziva se martenzit (sl.
6.11a). Poto su atomi u intersticijskom poloaju postavljeni preteno
u pravcu parametra c, do-lazi do istezanja kubne prostorno
centrirane reetke -gvodja u tetragonalnu ree-tku. Stepen
tetragonalnosti c/a tj. odnos parametara reetke martenzita je
zavisan od sadraja ugljenika i dat je na slici 6.12.
Martenzitna promena dovodi do veoma visoke tvrdoe elika. Pored
homogene i heterogene deformacije kristalne reetke, nastupa u eliku
jo i lokalna elastina deformacija u okolini intersticijskog atoma
ugljenika. Tvrdoa i jaina elika je ta-da uslovljena uglavnom tim
naponom poto je pokretljivost dislokacija u reetki sa visokom
elastinom distorzijom oteana.
Kinetika kriva promene austenita u martenzit (sl. 6.11b)
pokazuje da tran-sformacija poinje na Ms- temperaturi (216C za
eutektoidni elik), a zavrava na temperaturi Mf -150C. Posle
hladjenja ispod temperature Ms deo austenita se ne transformie i
ostaje zadran kao tzv. zaostali austenit. Transformacija
austenitmartenzit povezana je sa poveanjem zapremine (promena
zapremine moe prei i 5%). Martenzitni agregat, zbog svoje vee
specifine zapremine, u odnosu na zaos-tali austenit stvara naponsko
polje. Treba li dalje zapremine austenita transformisati u
martenzit, moraju takodje i one da poveaju svoju poetnu zapreminu,
ime se u medjufaznim zonama i dalje poveava napon. Poveana elastina
deformacija delu-je svojim energetskim efektom protiv dalje
transformacije, te se raspad austenita zaustavlja i deo austenita
ostaje nepromenjen kao zaostali austenit.
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
141
Ako se odstrane energetski razlozi egzistencije zaostalog
au-stenita, tj. visok stepen elastine deformacije okolnih
martenzit-nih estica, onda se taj austenit transformie u takve
strukturne komponente koje su na tempera-turi transformacije
stabilne.
Na veliinu temperatura Ms i Mf, pa i temperaturski interval u
kome se odvija martenzitna promena, najvie utie koliina ugljenika
rastvorenog u austenitu (nikako ukupna koliina ugljeni-ka u
leguri); manji uticaj imaju ostali legirajui elementi. Svi elementi
rastvoreni u austenitu, osim aluminijuma i kobalta, sni-avaju
temperaturu Ms. Tok promene temperatura Ms i Mf ugljeninih elika u
zavisnosti od sadraja ugljenika u austenitu dat je na sl. 6.13. Sa
slike se za-paa da pri sadraju oko 0.6% C temperatura Mf odgovara
taki mrnjenja, a za sve vie sadraje ugljenika u austenitu Mf je
ispod te take. Taj tok istovremeno pokazuje da je elike sa viim
sadrajem ugljenika (nadeutekto-idne) potrebno kaliti sa
tempera-ture koja je neznatno iznad A1. Kaljenjem sa viih
temperatura, austenit rastvara vie ugljenika, pa posle kaljenja u
strukturi osta-je zadrana vea koliina zaosta-log austenita.
Zaostali austenit je, naroito kod alatnih elika, nepoeljna
strukturna komponenta. Kod e-lika sa porastom koliine zaosta-log
austenita opada tvrdoa, a kao posledica raspada zaostalog
Ms
Mf
0.2 0.6 1.0 1.4 1.8
0
200
400
600
-200
Sadraj C, maseni %
Tem
pera
tura
, C
Slika 6.13 Zavisnost temperatura Ms i Mf od sadraja ugljenika
rastvorenog u austenitu
a1
c
c/a
a
0.2 0.6 1.0 1.4 1.8
1.00
1.04
1.08
0.356
0.360
0.364
0.308
0.304
0.300
0.296
0.292
0.288
0.284
Para
met
ar re
etk
e m
arte
nzita
, (a,
c),
nm
Tetra
gona
lnos
t, (c
/a)
Para
met
ar re
etk
eau
sten
ita, (
a 1),
nm
Sadraj C, maseni %
Slika 6.12 Zavisnost parametara reetke od sadraja ugljenika
-
Mainski materijali
142
austenita pri radnim ili sluajno povienim temperaturama dolazi
do promene di-menzija delova. Udeo zaostalog austenita moe se
sniziti tako to se kaljenje u kadi (20C) dopunjuje dodatnim
hladjenjem na temperaturi ispod Mf. Ovakvo kaljenje tzv.
zamrzavanje se izvodi pre svega kod nekih alatnih elika. Najei nain
sni-enja udela zaostalog austenita ili njegovog odstranjivanja ipak
je otputanje. Tran-sformacija austenita u martenzit zavisna je u
velikoj meri takodje i od spoljnih na-pona koji mogu poveati ili
sniziti temperaturu Ms. Jednoosni zateui ili pritisku-jui naponi
poveavaju temperaturu Ms, dok hidraulini (svestrani) pritisak
sniava Ms temperaturu. Pritisna deformacija moe poveati temperaturu
Ms do granine temperature koja se oznaava sa Md (martensite
deformation).
a) b)
Slika 6.14 Shematski prikaz strukture zakaljenog elika (a) i
mikrostruktura martenzita (b) Mikrostrukturu zakaljenog elika
sastoji se iz ploastih ili iveriastih kristala
martenzita, izmedju kojih je rasporedjen netransformisani -
zaostali austenit. Prikaz kaljene strukture dat je ematski na sl.
6.14.
6.1.4 Bejnitna promena
Produkt izotermikog preobraaja pothladjenog austenita na nekoj
temperaturi u oblasti od 550C do take Ms je prelazna strukturna
komponenta - bejnit. Kao to je ranije pomenuto bejnitna promena se
ostvaruje pri temperaturi na kojoj pres-taje difuzija
supstitucijski rastvorenih elemenata, a ostaje samo intersticijska
difuzi-ja. To znai da ugljenik difunduje iz pothladjenog austenita
ime se stvaraju zone koje su osiromaene ili obogaene ugljenikom.
Takve zone transformiu se u presi-en ferit i igliasti cementit koji
zajedno ine bejnit. Presien ferit zove se i bejnitni ferit (sl.
6.15).
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
143
Slika 6.15 Shema pojave gornjeg bejnita
Struktura bejnita zavisi od temperature na kojoj se odvija
preobraaj. Kod po-deutektoidnih elika (ugljeninih i niskolegiranih)
nastaje pri temperaturi (550 do 350C) tzv. gornji bejnit; ine ga
lamele bejnitnog ferita i njima paralelne estice karbida
(cementita) (sl. 6.15). Sa slike se vidi da se najpre obrazuje
klica bejnitnog ferita koja dalje raste kako frontalno (eono) tako
i bono; istovremeno se taloe cementitne estice ne samo na bokovima
feritnih lamela ve i u samim lamelama.
Donji bejnit se obrazuje poev od temperature 350C pa do take Ms
i ima la-melarnu strukturu slinu martenzitu. Kod donjeg bejnita
karbidne estice smetene su unutar ploica bejnitnog ferita, pod
uglom 55-60 u odnosu na podunu osu os-novnih feritnih lamela (sl.
6.16).
Slika 6.16 Shema pojave donjeg bejnita
Difuziona priroda bejnitne promene ispoljava se postojanjem
inkubacionog pe-rioda (sl. 6.17) koji zavisi od transformacione
temperature (kod legiranih elika in-kubacija se produava sa
opadanjem temperature). Za razliku od perlitnog preobra-aja,
bejnitna transformacija se ne odvija do kraja, ve se prekida pri
odredjenom udelu do tada nepromenjenog austenita (sl. 6.17). U toku
same promene netran-sformisani austenit se obogauje ugljenikom.
Granice promena koncentracije ug-
-
Mainski materijali
144
ljenika zavise od reakcione temperature i takodje od sadraja i
vrste legirajuih elemenata. Najvee obogaivanje aus-tenita bilo je
zapaeno kod podeutektoidnih elika legiranih silicijumom,
aluminijumom ili vanadi-jumom; manji uticaj imaju hrom, nikal i
mangan. Mehanike osobine bejnitnih struk-tura razlikuju se od
feritno-perlitne, is-to perlitne ili martenzitne strukture. e-lici
bejnitne strukture postiu veu ja-inu od eutektoidnih elika
(perlitnih) i podeutektoidnih elika (perlitno - ferit-nih). U
poredjenju sa martenzitnom strukturom (naroito kod elika sa ve-im
sadrajem ugljenika) bejnitne stru-kture nemaju tako veliku tvrdou,
ali im je ilavost izrazito vea.
6.2 Transformacioni dijagrami
Dijagrami koji prikazuju tok promene pothladjenog austenita,
zavisno od tem-perature i vremena, nazivaju se transformacioni
dijagrami. Za razliku od ravnote-nih dijagrama oni vae za elik
odredjenog hemijskog sastava i za odredjene uslove austenitizacije
(veliina zrna, homogenost austenita i dr.). Sadre podatke o poet-ku
i kraju izluivanja proeutektoidnih faza, kao i temperaturske zone
perlitne, bej-nitne i martenzitne promene austenita. Dobijaju se
obino pomou integralnih me-toda (dilatometrija, magnetometrija i
dr.) pa stoga daju samo prosene brzine pro-mena. Pored ovih
podataka esto se takodje uvode npr. udeli produkta odredjene
promene, vrednosti tvrdoa, odgovarajue izlazne strukture i sl.
Danas korieni transformacioni dijagrami jesu u dva oblika:
izotermiki dijagrami, koji daju pro-dukte promene austenita pri
odredjenim konstantnim temperaturama, i anizotermi-ki dijagrami
koji daju te produkte pri razliitim brzinama hladjenja. Dijagrami
izotermikog razlaganja austenita (IRA) od znaaja su pre svega za
izbor parameta-ra nekih vidova termike obrade, a dijagram
anizotermikog razlaganja austenita (ARA)1 koristi se kako u praksi
termike obrade, tako i za ocenu zavarljivosti zaka-ljivih
elika.
1 Koriste se nazivi: Dijagram kontinualnog hladjenja (KH) za ARA
i S-krive ili TTT- dijagrami za IRA.
100
50
0
Poetaktransformacije
Vremeinkubacije
Koliinanetransformisanogaustenita
Vreme
Koli
ina
bejn
ita,
%
Slika 6.17 Kinetika kriva bejnitne transformacije
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
145
6.2.1 Dijagrami izotermikog raspada austenita (IRA)
Iz prethodnih razmatranja proizilazi da je perlitna promena u
eutektoidnim e-licima difuzna promena, koja se odvija nukleacijom
klica i njihovim rastom. Brzina promene je data brzinom obrazovanja
klica i brzinom njihovog rasta. Pri malom pothladjenju austenita
ispod temperature A1 (sl. 6.18), kinetiki parametri promene su
gotovo zanemarljivi pa je brzina promene zato mala; prva zrna
perlita (Ps) se po-javljuju tek posle veoma dugog vremena
zadravanja na transformacionoj tempera-turi (dugo vreme
inkubacije), to znai da je vreme promena znatno. Pri veem
pothladjenju, do oko 550C, za nukleaciju je potrebna manja
energija, to znai da se poveava brzina nukleacije i brzina porasta,
a time i ukupna brzina promene. Daljim sniavanjem transformacione
temperature opada brzina difuzije gvodja pa i ukupna brzina
promene. Krive poetka i kraja promena nazivaju se IRA dijagra-mi, a
ponekad S ili TTT1-dijagrami. Izgled tog dijagrama za eutektoidni
ugljenini elik dat je na sl. 6.18.
727CA1
AustenitPs A + P
A + B
Pf
BfBsMs
Vreme, s
Tem
pera
tura
, C
Austenit + martenzit
1 10 102 103 104
Grubi perlit < 20HRC
Fini perlit 30 40HRC
Gornji bejnit 40 45HRC
Donji bejnit 50 60HRC
Martenzit 65 67HRC
700
600
500
400
300
200
100
0
Slika 6.18 Dijagram izotermikog raspada austenita (IRA)
eutektoidnog ugljeninog elika Krive perlitne i bejnitne promene se
u odredjenoj oblasti preklapaju (sl. 6.18-
crtaste linije); dijagram se ipak u tom delu prikazuje
zajednikom krivom poetka i kraja izotermike promene. Oznaka Ps
odgovara delu krive zapoinjanja promene austenita u perlit, a Pf
oznaava kraj te promene. Donji deo krive (od "kolena" dija-grama ka
niim temperaturama) oznaava se sa Bs i Bf i daje poetak i kraj
prome-ne austenita u bejnit.
U zoni levo od poetka promene austenita (Ps, Bs) zadrava se
austenitna struk-tura sve do temperature poetka martenzitne promene
(oznaene sa Ms). Udesno od 1 Naziv S potie od oblika krivih, a TTT
od eng. Time-Temperature-Transformation
-
Mainski materijali
146
krive kraja austenitne promene (Pf, Bf) strukturu obrazuju
produkti promene, iji izgled i osobine zavise od transformacione
temperature. U opsegu temperature A1 do kolena dijagrama ( 550C)
nastaje lamelarna perlitna struktura, ija tvrdoa ra-ste sa
opadanjem transformacione temperature (sl. 6.18).
U temperaturskoj oblasti od "kolena" dijagrama pa do temperature
Ms nastaje bejnitna struktura dobijena izotermikim raspadom
austenita. Kao to pokazuje sli-ka 6.18, na temperaturi oko 550C
prekriva se perlitna promena sa bejnitnom; na temperaturi
neposredno ispod "kolena" dijagrama je zato udeo bejnita mali
(preov-ladjuje perlit), a sa opadanjem temperature promene raste
udeo bejnita. Na viim temperaturama nastaje gornji bejnit sa manjom
tvrdoom, a na niim temperatu-rama (350C do Ms) obrazuje se donji
bejnit vee tvrdoe (sl. 6.18).
Oblast izotermikog raspada austenita, iji su produkti nastali
difuzijom, zavr-ava se na temperaturi Ms. Ispod ove temperature
odvija se bezdifuziona martenzi-tna promena, koja ima atermiki
karakter, to znai da je koliina martenzita funkci-ja temperature do
koje je elik ohladjen trenutno se stvara upravo po dostizanju te
temperature i daljim zadravanjem na toj temperaturi struktura se ne
menja. Koli-ina martenzita se dakle moe poveati samo daljim padom
temperature, tj. izoter-mikim tretmanom na jo nioj temperaturi.
Veoma mala stabilnost austenita, odnosno kratko inkubaciono
vreme u okolini temperature 550C i suprotno tome poveana stabilnost
austenita na temperaturama bliskim A1 i Ms, te stoga i dugo vreme
reakcije, nameu potrebu logaritamske po-dele na vremenskoj osi
transformacionih dijagrama.
Kod elika drukijeg sastava od eutektoidnog, promena austenita
poinje izlu-ivanjem odgovarajue proeutektoidne faze. Za elike sa
sadrajem ugljenika ispod 0.77% to je proeutektoidni ferit; poetak
izluivanja ferita (sl. 6.19) pokazuje kriva Fs, koja se asimptotski
pribliava kritinoj temperaturi A3. Sa opadanjem transfor-macione
temperature, udeo ferita se u rezultujuoj strukturi smanjuje. Kod
nadeu-
Tem
pera
tura
log t, s
Mf
Ms
Bs
Ps
F s
A3
B f
P f
A1
Tem
pera
tura
log t, s
Acm
A1
P f
B fMs
Bs
Ps
Cs
Slika 6.19 Dijagram IRA - Slika 6.20 Dijagram IRA -
podeutektoidnog elika nadeutektoidnog elika
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
147
tektoidnih elika poetak izluivanja proeutektoidnog cementita
odredjuje kriva Cs (sekundarni cementit) (sl. 6.20).
Dijagrami IRA se konstruiu eksperimentalno, na osnovu razliitih
fizikih osobina austenita i produkata njegovog preobraaja. Za
konstruisanje dijagrama slui npr. dilatometrijska metoda, koja
koristi razliku specifine zapremine austeni-ta i novonastalih
produkata, rezistometrijska metoda (razliit elektrini otpor),
ma-gnetometrijska metoda (austenit je nemagnetian, novi produkti
magnetini) i dr. Za ova ispitivanja se pripremaju manji uzorci,
dimenzijski jednaki, koji se posle austenitizacije brzo hlade do
razliitih temperatura ispod A1; na odgovarajuoj
temperaturi uzorak se zadrava sve do potpunog difuzionog raspada
austenita. Iz kinetike krive (koli-ina nove strukturne
komponente-vreme; vidi npr. sl. 6.3) koja odgo-vara datoj
temperaturi, utvrdjuje se poetak i zavretak preobraaja au-stenita.
Sline kinetike krive treba odrediti za razliite transformacio-ne
temperature u celom temperatur-skom opsegu A1 do Ms. Dijagrami
izotermikog raspada austenita mogu se takodje konstruisati
meta-lografskim metodama; mikroskop-skim ispitivanjem se procenjuje
ko-ji se udeo austenita pri datoj tempe-raturi i vremenu
transformisao i ko-
ji je jo ostao nepromenjen. Koristi se grupa malih uzoraka (npr.
10 1 mm) koji se po austenitizaciji brzo hlade na razliite
temperature ispod A1, na toj reakcionoj temperaturi se dre
odredjeno vreme, pa se potom kale u vodi (sl. 6.21). Deo struk-ture
koji se dranjem na reakcionoj temperaturi raspao u perlit, ostaje
pri hladjenju u vodi nepromenjen, a preostali austenit se u
intervalu Ms - Mf menja u martenzit. Potreban je za svaku
transformacionu temperaturu vei broj uzoraka, to je i mana ove
metode u odnosu na prethodne.
Na oblik i poloaj krivih IRA dijagrama utiu mnogi inioci. Svi
legirajui elementi, sa izuzetkom Co i Al poveavaju stabilnost
austenita, odnosno pomeraju krive poetka i kraja promene udesno.
Oni takodje podiu ili sniavaju temperaturu najmanje stabilnosti
austenita i Ms temperaturu (sl. 6.22c). Legirajui elementi koji sa
gvodjem obrazuju supstitucijske vrste rastvore (Ni, Cu) ne menjaju
oblik dijagrama ve ga samo pomeraju udesno. Karbidotvorni elementi
(Mo, Cr, W, V), izrazito menjaju i oblik dijagrama, ali i
medjusobno udaljuju perlitnu i bejnitnu zo-nu (sl. 6.22b,d). Pored
primarnog uticaja hemijskog sastava elika, znaajno utiu takodje
uslovi austenitizacije; vea homogenost i vea austenitna zrna
pomeraju krive poetka i kraja preobraaja austenita udesno; suprotno
tome sitna zrna auste-
Austenizacija
Vreme (log)
MM
PB
P+MB+M
A1
Tem
pera
tura
Slika 6.21 Prikaz termike obrade uzoraka za konstruisanje IRA
dijagrama
-
Mainski materijali
148
nita, nehomogenost austenita i pri-sustvo stranih estica u
austenitu (primese, nerastvoreni karbidi) pomeraju dijagram ulevo
(sl. 6.23).
Legirajui elementi i uslovi austenitizacije utiu takodje na
po-loaj temperaturskog intervala u kome se odvija martenzitna
pro-mena (Ms - Mf). Svi elementi ras-tvoreni u austenitu sniavaju
Ms temperaturu (samo Co i Al je po-veavaju); znaajan je naroito
Tem
pera
tura
Tem
pera
tura
A
A+P P
BA+B
A
A+P P
A+B B
log t, slog t, s a) b)
Tem
pera
tura
Tem
pera
tura
Si, A
lN
i,Mn,
Cu
Ni,C
uMn,
Al,C
o
Cr,W
,Mo,
VC
r,W,M
o,V
Mo,
VC
r,W,
Cr,W,Mo,
Cr,W,Mo,
V
VNi,Mn,Cu
Si, Al
Co
A A
M M
log t, s log t, s
C1,3 C1,3
s s
c) d)
Slika 6.22 Shema uticaja karbidotvornih elemenata na oblik IRA
dijagrama; a) nizak sadraj legirajuih elemenata, b) visok sadraj
legirajuih elemenata, c) elementi koji pomeraju koleno i Ms
temperaturu, d) elementi koji udaljavaju perlitnu i bejnitnu
oblast
Ugljenini elikSitno zrno austenitaNehomogeni austenitStrane
estice u austenitu
Legirani elikGrubo zrno austenitaHomogeni austenitAustenit bez
stranih estica
Vreme (log)
Tem
pera
tura
Slika 6.23 Shema uticaja nekih inilaca na poloaj krivih u IRA -
dijagramu
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
149
uticaj ugljenika koji Ms temperaturu izrazito sniava (vidi sl.
6.13). Na uslove aus-tenitizacije moe se pre svega uticati promenom
temperature i vremena austenitiza-cije. Sa poveanjem temperature
austenitizacije, temperatura Ms opada pre svega kod legiranih
elika, koji uz to sadre i vei procenat ugljenika. Glavni uzrok tome
je porast koncentracije ugljenika i primesa u austenitu, vezan za
rastvaranje karbida srazmerno temperaturi. Kao to je poznato, na
temperaturu Ms ne utie ukupan sa-draj ugljenika i legirajuih
elemenata u eliku ve samo deo rastvoren u austenitu. Slino kao
temperatura Ms menja se i temperatura Mf, ali je njeno tano
odredjiva-nje tee. Martenzitna promena se na niskim temperaturama
zaustavlja uz zadrava-nje odredjene koliine nepromenjenog austenita
(vidi glavu 6.1.3).
6.2.2 Dijagrami kontinualnog razlaganja austenita (ARA, KH)
Kao to je poznato, pri ravnotenom hladjenju austenita do take
AC1, njegova slobodna energija (G) praktino postaje jednaka
slobodnoj energiji niskotempera-turskih faza (ferita i cementita).
Zato i transformacija austenita u realnim uslovima moe nastati samo
uz manje ili vee pothladjivanje (ispod AC1), to ga ini
metas-tabilnim i sklonim da se bre promeni u stabilniju
strukturu.
Ako se ranije navedenim metodama ustanovi vreme poetka i kraja
transforma-cije austenita u uslovima neprekidnog hladjenja
razliitim brzinama (npr. na mir-nom vazduhu, pri prinudnom
strujanju vazduha, ili u ulju, krenom mleku, vodi, vodi sa 5-10%
NaCl), dobija se dijagram kontinualnog hladjenja, tzv. "KH"
dija-gram. Opti oblici ovog dijagrama prikazani su na slici 6.24a.
za ugljenine podeu-tektoidne elike i na slici 6.24.b za eutektoidni
ugljenini elik. Slino kao i kod izotermikog razlaganja austenita,
najmanjim brzinama hladjenja odgovara feritno-perlitna struktura
(F+P) kod podeutektoidnog elika, odnosno feritno-cementitna (F+Cm)
kod nadeutektoidnog elika. Veim brzinama hladjenja odgovara
bejnitni-martenzitna (B+M), a najveim brzinama hladjenja isto
martenzitna struktura (M).
Ukratko se razlika izmedju IRA i KH-dijagrama moe svesti na
sledee: kod IRA dijagrama poetak i kraj promene austenita prate se
po izotermi
(T = const.), a kod KH-dijagrama promena austenita se prati po
odgovarajuim krivama hladjenja (v1, v2, v3, ..), (sl. 6.24a),
isto bejnitna struktura ne moe se dobiti kontinualnim hladjenjem
ve samo u izotermikim uslovima hladjenja (faktor vreme je bitan za
difuziju!) i
krive kontinualnog hladjenja (KH) pomerene su udesno i dole u
odnosu na IRA- dijagram, u to znai da kasni poetak i kraj
razlaganja austenita i da se pomera ka niim temperaturama (sl.
6.24b).
-
Mainski materijali
150
Analizirajui dalje KH-dijagram (sl. 6.24a) uoava se da, pri
brzini hladjenja v1 neto manjoj od kritine (vkr = v2), jedan deo
austenita difuziono se menja u fini perlit (bejnit), a drugi deo
ostaje nepromenjen sve do Ms-temperature, kad poinje njegov
bezdifuzioni preobraaj u martenzit. Krajnju strukturu tada ine
bejnit i martenzit. Ako se brzina hladjenja povea do v3 (v3 >
vkr), difuziona promena aus-tenita vie nije mogua, on se
prehladjuje do take Ms, transformiui se dalje me-hanizmom klizanja
u martenzit. Ispitivanja su pokazala da se sav austenit ne
tran-sformie u martenzit, ve da u strukturi kaljenih elika uvek
ostaje manja ili vea koliina nepreobraenog - zaostalog austenita.
Iz dijagrama na slici 6.24a se vidi da pri hladjenju brzinama
manjim od vp nastaje konana struktura ferit + perlit, pri brzini
izmedju vp i vb dobija se meovita struktura ferita, perlita,
bejnita i martenzi-ta (F+P+B+M)1. Najzad, brzini hladjenja izmedju
vb i v1 odgovara meovita struk-tura F+B+M.
Minimalna brzina hladjenja, kojom se odlae promena austenita sve
do Ms-temperature, odgovara tangenti na koleno KH krive i naziva se
kritina brzina hla-djenja (v2, sl. 6.24a). Nelegirani (ugljenini)
elici imaju veoma veliku kritinu br-zinu hladjenja koja se kree od
200-600C/s; vee brzine odgovaraju niskougljeni-nim elicima, a
najmanja vkr odgovara eutektoidnom eliku.
Kod legiranih elika, svi dodatni elementi (izuzev Co i Al)
poveavaju stabil-nost austenita, pomeraju udesno kinetike krive, to
znai da produuju period in-kubacije, odnosno smanjuju vkr. Najzad,
treba istai da su strukture legiranih elika sloenije od
nelegiranih; one mogu biti meavina ferita, perlita, bejnita,
martenzita i neto zaostalog austenita, pa se krae nazivaju
medjufaznim strukturama.
1 Po odgovarajuoj krivoj hladjenja prate se sve faze u koje se
transformie austenit od take A3 do sobne temperature.
AA
c3
c1
ferit + perlit
perlit
austenit
Krajtransformacije
Kriva kontinualnoghladjenja
IRA kriva
Eutektoidni elik
bejnit + martenzitmartenzit
vvv
log t, s log t, s
vv
v
v
M M
a) b)
M
Mmartenzit M+P perlit
MA
T
TT p
pkrb
1
2
3
s s
f
f
1
1'
'2
Tem
pera
tura
, C0
Tem
pera
tura
, C0
Slika 6.24 (a) KH - dijagram podeutektoidnog elika, b) IRA
dijagram ( ) i KH dijagram (------) eutektoidnog elika
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
151
DEFINICIJE I DOPUNE:
Kinetike promene: promene zavisne od vremena, tj. od brzine
kojom se reakcija odvija. Kinetiki parametri promena: brzina
nukleacije nove faze i brzina njenog rasta. Aktivaciona energija
nukleacije: dodatna energija neophodna za termiko aktivi-ranje
reakcije. Brzina nukleacije i brzina rasta: broj novonastalih klica
u jedinici vremena i brzina pomeranja granica izmedju nove i poetne
faze. Kinetike krive: eksperimentalno odredjene krive ukupne brzine
promene stare faze u novu u funkciji vremena. Izotermike promene:
promene koje se odigravaju u toku vremena pri konstant-noj
reakcionoj temperaturi. Vreme inkubacije: vremenski interval do
poetka fazne promene (npr. austenita) na datoj temperaturi.
Austenitizacija: proces transformacije niskotemperaturskih faza
elika u aus-tenitnu strukturu; poetna struktura moe biti
feritno-perlitna, perlitna ili perlitno-cementitna; uslovi
austenitizacije definiu se temperaturom i vremenom dranja.
Difuziona promena austenita: promena koja se odvija poev od
perlitne tempera-ture, pa do poetka martenzitne transformacije.
Bejnit: smea presienog - ferita i sitnih cementitnih (karbidnih)
estica raz-metenih u bejnitnom feritu. Martenzit: presieni
intersticijski vrsti rastvor ugljenika u prostorno centriranoj
tetragonalnoj reetki gvodja. Proeutektoidni ferit: - ferit koji se
obrazuje kod podeutektoidnih elika razlaganjem austenita na
temperaturama ispod take AC3 pa do AC1. Niskotemperaturske faze
ugljeninih elika: faze koje odgovaraju sobnoj tem-peraturi,
dobijene u uslovima ravnotenog hladjenja; to su ferit i cementit.
Proeutektoidni cementit: cementit koji se obrazuje razlaganjem
austenita nadeu-tektoidnih elika na temperaturama ispod take ACm pa
do AC1. Kvazi eutektoidni perlit: perlit dobijen u uslovima
pothladjivanja elika, iji je sadraj ugljenika razliit od 0.77%;
pothladjeni austenit sa sadrajem 0.65-1% C, moe se zadrati
neraspadnut sve do 675C (kada prelazi u kvazi-eutektoid).
Vidmantetenova struktura: struktura igliastog ferita sa vrhovima
iglica us-merenim prema sreditu perlitnih zrna. Zrnasti perlit:
smea globularnih (okruglih) estica cemenita u feritnoj osnovi.
Sorbit: dvofazna struktura koju ine tanke gusto sloene feritne i
cementitne es-tice dobijene pri izotermikom hladjenju elika na
temperaturi ~ 650C.
-
Mainski materijali
152
Trustit: dvofazna struktura finog perlita koju ine tanke lamele
ferita i cementita dobijene pothladjivanjem i izotermikim
zadravanjem elika na ~ 550C. Zaostali austenit: deo nepreobraenog
austenita koji ostaje u strukturi visokougl-jeninih elika (sa C
> 0.60%) posle njihovog brzog hladjenja do sobne tempera-ture.
Dijagram izotermikog raspada austenita (IRA): dijagram vreme -
temperatura koji pokazuje produkte izotermikog raspada austenita
pri razliitim tempera-turama. Daje se za svaki elik posebno.
Dijagram kontinualnog razlaganja austenita (KH): dijagram
transformacije e-lika u koordinatnom sistemu temperatura vreme; u
dijagram se upisuju produkti promena pri razliitim brzinama
kontinualnog hladjenja. Daje se za svaki elik posebno, kao i za
odredjene uslove austenitizacije, tj. temperaturu i vreme
zagre-vanja u austenitnom podruju. Kritina brzina hladjenja:
minimalna brzina hladjenja kojom se spreava difuzi-ona promena
austenita sve do temperature poetka martenzitne transformacije.
Odredjuje se kao tangenta na koleno KH- krive za dati elik.
PITANJA:
1. Uticaj stepena pothladjivanja na kinetike parametre faznih
promena. 2. U faznom dijagramu 3Fe Fe C za elik upisati strukture i
temperature koje
odgovaraju difuzionim, bezdifuzionim i kombinovanim promenama.
3. Proeutektoidne faze kod ugljeninih elika. 4. Kako nastaje
proeutektoidni ferit, a kako eutektoidni ferit? 5. Perlitna promena
u ravnotenim uslovima. 6. U emu je razlika izmedju eutektoidnog i
kvazi-eutektoidnog perlita? 7. Kod kojih elika i u kojim uslovima
nastaje nepovoljna Vidmantetenova struk-
tura, i kako se ona moe naknadno tranfomisati u povoljniju
strukturu? 8. Opisati kako se dobija martenzit i skicirati
elementarnu reetku austenita i
martenzita. 9. Skicirati kinetiku krivu promene austenita u
martenzit (% M u funkciji
temperature pothladjivanja). 10. Dijagramski prikazati zavisnost
Ms i Mf od sadraja ugljenika u eliku, i objas-
niti zbog ega deo austenita kod nekih elika ostaje nepreobraen.
11. Pojam zaostalog austenita, zato je tetan i kako se on moe
transformisati? 12. Bejnitna promena, kinetika kriva te promene i
vrste bejnita. 13. Razlika izmedju ravnotenih faznih dijagrama i
transformacionih (IRA i ARA)
dijagrama.
-
Fazne promene u vrstom stanju kod elika
153
14. Nacrtati IRA - dijagram eutektoidnog elika i strukture koje
se dobijaju pri izotermikom arenju na raznim temperaturama.
15. Nacrtati IRA- dijagrame za eutektoidni, podeutektoidni i
nadeutektoidni elik. 16. Uticaj karbidotvornih elemenata i drugih
faktora na oblik i poloaj IRA- dija-
grama. 17. ta su to niskotemperaturske faze kod ugljeninih
elika? 18. Dijagram kontinualnog hladjenja podeutektoidnog elika
(KH- dijagram). 19. Skicirati KH- dijagram i upisati strukture koje
se dobijaju pri razliitim brzi-
nama hladjenja. 20. Objasniti razliku izmedju IRA i KH-
dijagrama na primeru eutektoidnog elika? 21. Kako se dobijaju
strukture: perlit, sorbit, trustit, bejnit, martenzit i
medjufazne
strukture? 22. Zato se kontinualnim hladjenjem ne moe dobiti
isto bejnitna struktura, ve
samo meavina martenzita i bejnita?
-
Mainski materijali
154