Anyagtudomány - 11. Előadás
Acélok nem-egyensúlyi átalakulási diagramjai Izotermás és folyamatos hűtésű átalakulási diagramok
Anyagtudomány
1
11. előadás
Az izotermikus átalakulási diagramok t1
A túlhűtöttség hatása
T1
C-görbe
(Kk és G hatása)
(Az eredő görbe)
T2 A diffúzió (D) hatása
T3
t2
Anyagtudomány
t3
t1 Idő (s)
log t
2
11. előadás
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
Anyagtudomány
3
11. előadás
Izotermás átalakulási diagramok kísérleti meghatározásának elvi ábrája
Hőmérséklet (oC)
1000 900 Austenit 800 A1 700 HV ~170 293 HV 600 Perlit 383 HV 500 413 HV 400 Bainit 300 Austenit 200 Ms 1 2 3 4 5 6 78 910 100 Martensit 1
HV
0,1
Anyagtudomány
10
102
103
104 105 Idő (s)
700 1234 650 5 600 6 550 7 8 9 10 500 4 4 Idő (s) 10 102 103 10
9.5. ábra
11. előadás
Eutektoidos acél ma használatos izotermás átalakulási diagramja 800
Ac1 21 3
a+p Bs
500
300 200 100 0
1
Bf a a+b
2
Ms 10% 50% 90%
a+m (20 oC)
M f (99%)
-100 0,1
Anyagtudomány
1
m 10
102
103
5
b
Martensites
T2=400
Perlites
p
Bainites
Hőmérséklet ( oC )
700 T1=650 600
Austenitesítés: T=830oC
a
104 Idő (s)
9.18. ábra 11. előadás
Hipo-eutektoidos acél izotermás átalakulási diagramja és kapcsolata az egyensúlyi diagrammal T (oC)
800 700
cm
A
A
900
G
T (oC) 900
3
P
S
A1
500
500
400
400
100
300
MS Q 0
200
a+f+p
Bs
a+p
Bf
a+b
Ms
A3 A1
f+p p+b b
m
100 0,8
C, %
9.19. ábra Anyagtudomány
a+f
700 600
200
a
800
600
300
Austenitesítés: 820 0C
6
0,1
1
10
102 103 104 105 Idő (s) 11. előadás
Hiper-eutektoidos acél izotermás átalakulási diagramja 900 800
Ausztenitesítés: 920 oC A cm
a a
a+c
Hőmérséklet (oC)
700 600 Bs
a
500 400
100
c+p
+p c +
Bf
b+p
a
300 200
A1
a+b
b
Ms
9.20. ábra
m
0,1 Anyagtudomány
1
10
102 103
104 105 Idő (s) 7
11. előadás
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 Anyagtudomány
8
11. előadás
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
Anyagtudomány
10
11. előadás
A hűtés sebességének hatása az egyensúlyi átalakulásokra 1300 C
1200
Hőmérséklet, oC
1000 900
E
(austenit)
1100
A cm G
A A
800
c3
r3
700 P 600
S
Ac1 Ar1 5 oC/s
S'' S'''
500
S'
50 oC/s 100 oC/s 250 oC/s 400 oC/s
S' S'' S'''
400
K Perlites
Bainites
300 Ar''=Ms
200
>500 oC/s
100 0
Anyagtudomány
0
0,5
1,0
11
1,5
2,0
C, %
11. előadás
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
Anyagtudomány
12
11. előadás
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 Anyagtudomány
13
11. előadás
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 Anyagtudomány
14
11. előadás
A folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramok kísérleti felvétele Kisméretű próbatestek homogén austenites állapotba hevítése hipoeutektoidos acélra: Ac3 + 20 … 30 oC hipereutektoidos acélra: Acm + 20 … 30 oC 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 Anyagtudomány
15
11. előadás
A folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramok jellemzői T - lg t diagramok, amelyeken az austenitesítés hőmérsékletét, valamint a kritikus átalakulási hőmérsékleteket (Ac1, Ac3, Acm) 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 Anyagtudomány
16
11. előadás
Hipoeutektoidos acél folyamatos hűtésű átalakulási diagramja 1000 Austenitesítés: 880 oC
a
900 800
Ac3
Hőmérséklet (oC)
700 10
600 500 400
tm tf
Ms
17
40
5
583 558 318 600 533
m 1
Ac1 232
f+p
tp
b
60
f+p+b +m+a
100
Anyagtudomány
10
20
a+m
0,1
80
f 50
70
75
70
a
300 200
p
3
50
30
25
210
9.27. ábra 274
274
10 2
10 Idő (s)
17
224
103
104
11. előadás
A kritikus hűtési sebességek értelmezése Kritikus alsó hűtési sebesség, amelynél nagyobb hűtési sebesség esetén már keletkezik martensit. Meghatározása a következő összefüggéssel: TAc 3 500 alsó vkrit tp Kritikus felső hűtési sebesség, amelynél nagyobb hűtési sebesség esetén már csak martensit keletkezik. Meghatározása a következő összefüggéssel: TAc 3 500 felső vkrit tm
Anyagtudomány
18
11. előadás
Hiper-eutektoidos acél folyamatos hűtésű átalakulási diagramja 900
Austenitesítési hőmérséklet: 880 oC
800
Acm
a
Ac1
Hőmérséklet (oC)
700 c
600 500
p
a
tp
tm
p+c
400 300 200
b Ms
100 1 Anyagtudomány
c+b+ m+a
a+m 10
10 2
103 Idő (s)19
9.28. ábra
c+p+b +m+a 104
105
11. előadás
A kritikus hűtési sebességek értelmezése Kritikus alsó hűtési sebesség, amelynél nagyobb hűtési sebesség esetén már keletkezik martensit. Meghatározása a következő összefüggéssel: TAcm 500 alsó vkrit tp Kritikus felső hűtési sebesség, amelynél nagyobb hűtési sebesség esetén már csak martensit keletkezik. Meghatározása a következő összefüggéssel: TAcm 500 felső vkrit tm
Anyagtudomány
20
11. előadás
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) Anyagtudomány
21
11. előadás
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
Anyagtudomány
22
11. előadás
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
Anyagtudomány
23
11. előadás
A keménység változása a C-tartalom függvényében HV edzett
700
0,1294 V ed
zett
500
0,1290 0,1286
tott í y g á l V
300
0,1282 0,1278
tott í y g á l HV
100 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Anyagtudomány C-tartalom (%) 24
0,1274
Fajtérfogat, V (cm3/g)
Vickers keménység, HV
900
HV martensit
9.29. ábra
0,1270
0
11. előadás
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 Anyagtudomány
25
11. előadás
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
Anyagtudomány
26
11. előadás
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 oC • II. lépcső: T = 100 - 280 oC • III. lépcső: T = 280 - A1 – ötvözött acéloknál ehhez járul egy negyedik lépcső • IV. lépcső: T = 500 - A1 hőmérséklet tartományban
Anyagtudomány
27
11. előadás
A megeresztés I. lépcsőjének jellemzői • hőmérséklet tartománya: T < 150 oC • jellemző változások – Fe2,4C = Fe12C5 -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 Anyagtudomány
28
11. előadás
A megeresztés II. lépcsőjének jellemzői • hőmérséklet tartománya: T = 150 - 280 oC • jellemző változások – a maradék austenit (ha volt) átalakulása bainitté keménységnövekedés – megkezdődik az Fe2,4C Fe3C karbid átalakulás – ezzel továbbfolytatódik a martensit C-tartalmának csökkenése és – a martensit keménységének csökkenése
Anyagtudomány
29
11. előadás
A megeresztés III. lépcsőjének jellemzői • hőmérséklet tartománya: T = 280 - A1 • jellemző változások – folytatódik az Fe2,4C Fe3C 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 Fe3C karbid-korongocskák koagulálása, gömbösödése – kialakul az egyensúlyit legjobban megközelítő megeresztési szövet a szferoidit, amely ferrit mátrixba ágyazott cementit gömböcskéket tartalmaz Anyagtudomány
30
11. előadás
A megeresztési hőmérséklet hatása különböző Ctartalmú acélok edzési keménységének változására
Keménység (HRC)
70 60
0,8 % C
1,4 % C
0,4 % C 50 40
30
0,15 % C
I. II.
III.
100 200 300 Anyagtudomány 31 ( oC) 1 órás megeresztés hőmérséklete
9.31. ábra
0
11. előadás
Edzett acél szferoidites megeresztési szövete (N=1000x, Marószer: Pikral)
9.32. ábra Anyagtudomány
32
11. előadás
A megeresztés IV. lépcsőjének jellemzői • hőmérséklet tartománya: T = 500 - A1 • jellemzői – csak egyes ötvözött acélokban fordul elő – erélyes karbidképző elemek esetén az Fe3C karbidból a C-t elvonva ötvözött MexCy 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 Anyagtudomány
33
11. előadás
A megeresztési hőmérséklet hatása különböző Ctartalmú acélok edzési keménységének változására HV
HRC
1000
68,5
1230°
1290°
66,0
800
63,0 58,8
1000°
600
53,7
900°
48,1
400
40,5 29,7
200
0
15,0 800
200 400 600 Megeresztési hőmérséklet (°C)34 Anyagtudomány
9.31. ábra 11. előadás
A megeresztés idejének hatása az edzési keménység változására Keménység (HV) C35
500 400
350 oC
300
450 oC 200 100 Anyagtudomány
550 oC 650 0
1 10 min 1h 10 100 1000 h 35 A megeresztés ideje
6s
oC
9.33. ábra 11. előadás
A hőmérséklet és az idő együttes hatásának elemzése a megeresztési folyamatokra • hőmérséklet és az idő együttes hatását egyetlen diagramban is ábrázolhatjuk a
pT (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 Anyagtudomány
36
11. előadás
HB - Brinell keménység
Edzett acél keménységének változása a p = T (lgt + k) paraméter függvényében 450
350 A megeresztés hőmérséklete
250
150 10 Anyagtudomány
350 oC 450 oC 550 oC 650 oC
12
14 16 18 20 10-3T (lgt + 18)37
9.33. ábra 22 11. előadás
