Fázové přeměny při tepelném zpracování

1. Fázové přeměny při tepelném zpracování Přednáška pro předmět Struktura a vlastnosti materiálů Eva Münsterová, Eva Novotná

2. Studijní literatura Základní učebnice: • Ptáček, L. a kol.: Nauka o materiálu II Doporučené učebnice: • Askeland D. R., Phulé P. P. – The Science and Engineering of Materials • Callister, W. D. Jr. – Materials Science and Engineering. An Introduction • Pluhař, J. a kol. – Nauka omateriálech Elektronické texty ÚMVI: • http://ime.fme.vutbr.cz/3sv007.php

3. Prerekvizity Pro pochopení přednášky jsou nezbytné znalosti z předmětu BUM, zejména: • Krystalové struktury, poruchy mřížky, polymorfie, překrystalizace • Druhy fází a jejich charakteristiky • Gibbsova volná energie, nukleace a růst, kinetický diagram, difuze – její mechanizmy a její souvislost s teplotou • Rovnovážné diagramy, Fe-Fe3C a Fe-G • Druhy a podstata fázových přeměn

4. Obsah přednášky • Informativní údaje o přednášce …1- 4 • Obecně o tepelném zpracování …5 – 6 • Vznik a precipitační rozpad přesyceného tuhého roztoku …7 ÷12 • Austenitizace …13 ÷ 18 • Přeměny přechlazeného austenitu …19 ÷ 25 • Transformační diagramy přechlazeného austenitu …26 ÷ 29 • Přeměny při popuštění martenziticky zakalených ocelí …30 ÷ 33

5. Co to je tepelné zpracování (TZ) • TZ = technologický proces = = ohřev, prodleva na teplotě, ochlazení • Zpracovávaný materiál stále v tuhém stavu • Cíl: změna struktury změna vlastností • TZ bez překrystalizace – buď nepolymorfní základní komponenta, nebo teplota ohřevu pod nejnižšší překrystalizační teplotou • TZ s překrystalizací – polymorfní základní komponenta a teplota ohřevu alespoň nad nejnižší překrystalizační teplotou • TZ – u různých slitin, ale hlavně u slitin Fe-C

6. Četné možnosti TZ slitin Fe - C Důvody : • Fe - polymorfní kov (aFe,gFe,dFe) • Tuhé roztoky v modifikacích aFe – ferit, gFe - austenit – C,N aj. intersticiálně – Mn,Si aj. substitučně • Rozdílná rozpustnost přísad ve feritu a v austenitu • Rozdílná difuzivita přísad ve feritu a v austenitu • Existence soustavy železo-cementit a železo-grafit

7. buď rychlým ochlazením u slitin, jejichž koncentrace leží v rozmezí křivky poklesu rozpustnosti – např. alfa roztok v duralu, ferit a austenit ve slitinách Fe-C • nebo bezdifuzní přeměnou tuhého roztoku s vyšší rozpustností přísady na tuhý roztok s nižší rozpustností přísady – např. přeměna austenitu na přesycený ferit (tj. martenzit) Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků I Přesycený roztok vzniká:

8. Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků II Důvody a průběh rozpadu přesyceného tuhého roztoku: • Přesycený tuhý roztok je nerovnovážný • Soustavy (slitiny) mají snahu existovat v rovnovážném stavu (max S, min G) • Rozpad posouvá přesycený tuhý roztok směrem k rovnováze • Precipitace (kontinuální) – proces, při němž probíhá: • difuze atomů přísadového prvku mřížkou přesyceného tuhého roztoku • hromadění atomů přísad ve vhodných místech (např. v okolí poruch mřížky) • vznik drobných částic příslušné intermediální fáze (tj. vznik precipitátů)

9. Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků III Stárnutí feritu v polymorfních ocelích: • Polymorfní ocel – ferit ve smíšené struktuře, např. ferit+ terciální cementit, ferit+ terciální cementit+perlit • Po rychlém ochlazení ferit přesycen C a N (vliv křivky poklesu rozpustnosti C v aFe) - přesycení tím větší, čím větší je obsah C a N a čím vyšší je rychlost ochlazování – atomy C a N umístěny náhodně  není výrazná Re

10. Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků IV • Proces stárnutí přesyceného feritu: • Už za pokojové teploty – atomy C a N k poruchám (dislokacím) – Cottrellovy atmosféry  výrazná Re • Při vyšší teplotě a delší době - další hromadění atomů C a N – nehomogenní tuhý roztok – vznik přechodných koherentních precipitátů Fe2,4C a Fe16N2 růst Rm, Re, HB; pokles A, Z • Při dalším zvýšení teploty a doby - ztráta koherence, vznik stabilních precipitátů Fe3C, Fe4N  opačná tendence změny vlastností • Stárnutí feritu = nepříznivý jev, zvláště u ocelí do 0,2% C • Stárnutí po zakalení; deformační stárnutí

11. Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků V Rozpad feritu a austenitu u nepolymorfních ocelí: • Nepolymorfní oceli - vysokolegované oceli (např. Cr, Ni), struktura je tvořena buď jen feritem nebo jen austenitem, z nichž precipitují karbidy a nitridy • Negativní dopad: tvorba karbidů a nitridů v matrici → zvýšení křehkosti; odčerpání legur z matrice → snížení zvláštních vlastností, např. korozivzdornosti mezikrystalová koroze • Pozitivní dopad: vytvrditelné austenitické oceli – Ni, Cr; W, Mo, V, Ti, B, Al – rozpouštěcí žíhání a stárnutí → výrazné zpevnění

12. Vznik a precipitační rozpadpřesycených tuhých roztoků VI • Bezdifuzní přeměna austenitu na přesycený ferit = martenzit bude vysvětlena v části „Martenzitická přeměna“. Důvodem přesycení feritu je zde větší rozpustnost C a N v austenitu než ve feritu (PP pole 7). Přeměna bez difuze  všechen C a N, který byl rozpuštěn v austenitu, zůstane uzavřen ve feritu. • Precipitační rozpad martenzitu bude vysvětlen v části „Přeměny při popouštění“

13. Austenitizace - u ocelí úvodní etapa pro všechny druhy tepelného zpracování s překrystalizací • Důležité dílčí pochody při austenitizaci: • tvorba a homogenizace austenitu • následnýrůst austenitického zrna Austenitizace I • Austenitizace - u ocelí proces přeměny výchozí ferito-cementitické struktury (která existuje za pokojové teploty – F+P, P, P+cem) na austenit (při zvýšení teploty nad A1 = částečná austenitizace, nebo nad A3 příp. Acm = úplná austenitizace)

14. Za rovnovážných podmínek – přeměna perlitu na austenit při teplotě A1, dále přeměna feritu na austenit mezi A1 a A3, příp. rozpouštění sekundárního cementitu v austenitu mezi A1 a Acm . V reálných (nerovnovážných) podmínkách jenutné přehřátí nad uvedené teploty • Difuzní přeměna: difuze atomů C; heterogenní nukleace zárodků austenitu v perlitickém feritu (hlavně na rozhraní kolonií perlitu nebo na mezifázovém rozhraní F/Cem); růst zárodků až do vzniku 100% austenitu Austenitizace II • Tvorba austenitu:

15. Austenitizační diagram (izotermický a anizotermický) • austenit + zbytky perlitického cementitu • chemicky nehomogenní austenit – místní rozdíly v obsahu uhlíku a ostatních prvků • homogenní austenit – po difuzních přesunech atomů přísad, určující je difuzivita substitučníchprvků Austenitizace III • Homogenizace austenitu - proces závislý na teplotě a na čase; také na výchozí struktuře:

16. licí (dendrity) – po ukončené krystalizaci; velikost menší při nižší licí teplotě a vyšší rychlosti ochlazování • primární – po granulaci dendritů (tvorba polyedrických zrn) při dalším ochlazování; zjemnění přísadou Mo,Ti,Zr,Nb,Ta • sekundární – po jakékoliv (i opakované) překrystalizaci feriticko-karbidické struktury • původní - po poslední překrystalizaci z časové řady • Při austenitizaci – velikost sekundárních zrn podle výchozí struktury, teploty a doby austenitizace – chceme jemnozrnný a homogenní austenit Austenitizace IV • Austenitické zrno a jeho druhy:

17. po překročení překrystalizační teploty – drobné zrno • při dalším zvyšování teploty – růst zrna (srůstání nebo posuv hranic) • ocel dědičně hrubozrnná – dezoxidovaná feromanganem a ferosiliciem • ocel dědičně jemnozrnná – dezoxidovaná hliníkem Austenitizace V • Růst zrna při austenitizaci:

18. Austenitizace VI • Velikost austenitického zrna a vlastnosti ocelí:

19. Přeměny přechlazeného austenitu I • Probíhají pod teplotou A1 ( přechlazení) • Dílčí procesy: • alotropická přeměna mřížky gFe(fcc) na mřížku aFe(bcc) – proběhne vždy, bez ohledu na rychlost ochlazování a teplotu přeměny  změna rozpustnosti uhlíku, tvorba cementitu • difuze přísadových prvků (substitučních obtížněji, intersticiálních snadněji) – silná závislost na teplotě přeměny

20. Přeměny přechlazeného austenitu II Přeměny: • proeutektoidní – tvorba feritu mezi teplotami A3 a A1, cementitu mezi teplotami Acm a A1 – difuze všech prvků • perlitická – malé přechlazení pod A1, difuze všech prvků • bainitická – větší přechlazení pod A1, omezená difuze (uhlík ano, železo a ostatní prvky ne) • martenzitická – velké přechlazení pod A1, nulová difuze všech prvků

21. Po ukončení proeutektoidní přeměny je ve zbývajícím austenitu eutektoidní obsah uhlíku a může proběhnout přeměna austenitu na perlit Přeměny přechlazeného austenituIII Proeutektoidní přeměny • Proeutektoidní fáze (p.f.) – ferit, cementit II • Heterogenní tvorba zárodků p.f. (přednostně na hranicích zrn austenitu) a jejich růst • Malé přechlazení – vznik síťoví p.f. – neškodné u F, křehkost u cem • Větší přechlazení – vznik p.f. ve tvaru Widmannstättenovy struktury – křehkost u F i u cem • Nízkouhlíkové oceli – vznik rovnoosých zrn feritu

22. Přeměny přechlazeného austenituIV Perlitická přeměna: • Perlit = lamelární směs feritu a cementitu • Heterogenní nukleace na hranicích austenitických zrn; zárodek feritu např. v bodě J, zárodek cementitu např. v bodě K • Růst kolonie perlitu – střídavá tvorba cementitu a feritu • Mezilamelární vzdálenost = tloušťka dvojice lamel (F+cem) – zmenšuje se s klesající teplotou přeměny – rostou pevnostní vlastnosti, klesají deformační charakteristiky • Vliv přísadových prvků na teplotu eutektoidní přeměny a na eutektoidní obsah uhlíku v austenitu

23. Horní bainit – teplota vzniku nad asi 350°C při obsahu asi 0,6%C – nižší pevnostní vlastnosti, větší houževnatost; pevnější a tvrdší než perlit • Dolní bainit – teplota vzniku mezi 350°C a teplotou Ms u ocelí s asi 0,6%C – vyšší pevnostní vlastnosti, nižší houževnatost • Bainitickápřeměna neprobíhá až do 100% vzniku nové fáze – zbytkový austenit – v průběhu přeměny obohacený C a jinými prvky • Bainitická křivka oceli – udává množství austenitu, který je možno přeměnit na bainit v závislosti na teplotě přeměny; teplota Bs a Bf Přeměny přechlazeného austenitu V Bainitická přeměna: • Bainit = nerovnovážná nelamelární směs deskových nebo jehlicových (laťkových) krystalů více nebo méně přesyceného feritu a drobných částic karbidů • Druhy bainitu:

24. Přeměny přechlazeného austenitu VI Martenzitická přeměna: • Bezdifuzní (střihová) přeměna; nízká teplota přeměny (mezi teplotami Ms a Mf) = velké přechlazení pod A1; kritická rychlost ochlazování • Martenzit = nerovnovážný přesycený tuhý roztok uhlíku v aFe • Mřížka martenzitu: prostorově středěná tetragonální; tetragonalita způsobená přesycujícím uhlíkem – jeho atomy v jedné ze tří oktaedrických intersticiálních poloh mřížky a Fe • Vliv obsahu uhlíku obsaženého v martenzitu na mřížkové parametry martenzitu • Vliv obsahu uhlíku obsaženého v martenzitu na tvrdost martenzitu

25. „Kinetika“ martenzitické přeměny (závislost na teplotě přeměny, ne na čase): • Vliv přísadových prvků na martenzitickou přeměnu Přeměny přechlazeného austenitu VII • Většinou atermický charakter přeměny – dané teplotě v intervalu Ms a Mf odpovídá určitý podíl martenzitu, který vznikne prakticky okamžitě (vysoká rychlost růstu útvarů martenzitu - rychlost šíření zvuku v oceli) • Přeměna může pokračovat je po dalším snížení teploty, až na teplotu Mf • Martenzitická křivka ocelí = podíl martenzitu v závislosti na teplotě přeměny • Zbytkový austenit

26. Transformační diagramyrozpadu přechlazeného austenitu I • Kinetické diagramy – závislost doby (průběhu) přeměny na teplotě přeměny • Platnost vždy pro určité chemické složení oceli a pro určité podmínky austenitizace • Diagramy izotermického rozpadu austenitu (IRA) – rozpad při konstantní teplotě – využití menší • Diagramy anizotermického rozpadu austenitu (ARA) – rozpad v průběhu ochlazování - využití časté • Konstrukce diagramů – experimenty, výpočty

27. Transformační diagramy rozpadu přechlazeného austenitu II Diagramy IRA: • Křivky začátku (s-start) a konce (f-finish) perlitické a bainitické přeměny = C křivky • Vlevo od křivek začátku přeměny (s) je austenit, vpravo od křivek konce přeměny (f) jsou produkty příslušné přeměny, mezi křivkami (s) a (f) přeměna postupně probíhá • Martenzitická přeměna pod teplotou Ms • Vliv přísad na diagramy IRA: • Přísady (kromě Al a Co) posouvají křivky (s) a (f) doprava • Karbidotvorné prvky mění tvar křivek – oddělují od sebe perlitickou a bainitickou přeměnu

28. Transformační diagramy rozpadu přechlazeného austenitu III Diagramy ARA: • Křivky začátku a konce přeměn s podobným významem jako v diagramu IRA • Křivky rychlosti ochlazování – v jejich směru se sleduje průběh přeměn

29. Transformační diagramy rozpadu přechlazeného austenitu IV • Produkty přeměn v diagramu ARA při různých ochlazovacích rychlostech • Rychlost 1 – hrubý perlit • Rychlost 2 – jemný perlit • Rychlost 3 – jemný perlit, horní a dolní bainit • Rychlost 4 – horní a dolní bainit • Rychlost 5 – kritická rychlost martenzitické přeměny – martenzit a zbytkový austenit • Rychlost 6 – martemzit a zbytkový austenit

30. Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí I • Popouštění = TZ bezprostředně po martenzitickém kalení = ohřev a prodleva při zvýšené teplotě (ale pod A1), ochlazení na pokojovou teplotu • Přeměny při popuštění: • precipitační rozpad tetragonálního martenzitu a • rozpad zbytkového austenitu:

31. Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí II • Čtyři stadia popouštění (teplotně možnost překryvu): • I. do asi 200°C – rozpad: tetragonální martenzit na směs (nízkouhlíkový kubický martenzit s obsahem do 0,125 hmot%C + přechodový e-karbid Fe2,4C s mřížkou hcp) ; zmenšení měrného objemu; pouze mírné snížení tvrdosti • II. (200 až 300)°C – rozpad zbytkového austenitu na strukturu bainitického typu (podobnou martenzitu popuštěnému na stejnou teplotu); přeměna značí vzrůst tvrdosti, který se ve změně tvrdosti celé struktury objeví více nebo méně výrazně – podle původního množství zbytkového austenitu; relaxace vnitřního pnutí

32. Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí III • III. (nad 300°C) – přeměna (kubický martenzit+ e-karbid) (ferit+cementit) = sorbit; změna tvaru feritu – z jehlic na polyedrická zrna (zotavování, rekrystalizace); změna tveru cementitu – z tyčinek na zrna, jejich růst; TZ = zušlechťování; pokles pevnostních charakteristik, růst deformačních charakteristik a houževnatosti • IV. (nad 500 až 600°C) – uhlíkové oceli: rekrystalizace a hrubnutí zrn feritu, hrubnutí (koalescence, srůstání) částic cementitu – hrubý zrnitý perlit, snižování pevnostních a růst deformačních charakteristik – nízkolegované oceli: legování cementitu dalšími prvky (Mn, Cr apod.); – legované a vysokolegované oceli: vznik speciálních karbidů s mřížkou odlišnou od cementitu; zvýšení trdosti = sekundární tvrdost

33. Přeměny při popouštění martenziticky zakalených ocelí IV • Popouštěcí křivka, její popis: • Popouštěcí křehkost, její popis: • Nízkoteplotní popouštěcí křehkost – NTPK (oblast I) • Vysokoteplotní popouštěcí křehkost – VTPK (oblast II) • Anizotermická složka VTPK (oblast III)