5.0 ZJIŠŤOVÁNÍ FÁZOVÝCH PŘEMĚN
Metody zkoumání fázových přeměn v kovech a slitinách jsou založeny na využití změn převážně fyzikálních vlastností, které fázovou přeměnu a s ní spojenou změnu struktury doprovázejí. Jejich cílem bývá obvykle určení teplotního, popř. časového rozmezí, v němž přeměna probíhá. Z výsledků měření kinetiky fázové přeměny lze také soudit na rozsah přeměny, na děj, který je při přeměně dějem řídícím apod. Jednotlivé metody, jejich principy a použití byly probírány v předmětu „Experimentální metody studia materiálu“. V rámci tepelného zpracování nás zajímají hlavně fázové přeměny v tuhém stavu, zejména rozpad austenitu. K sestrojování diagramů izotermického rozpadu austenitu – IRA a anizotermického rozpadu austenitu – ARA se tedy uplatňují nejčastěji metody, kde změna fyzikálních vlastností vlivem fázové přeměny je dostatečně výrazná. Jedná se zejména o termickou analýzu, metodu magnetometrickou či dilatometrii.
Obr. 5.1: Záznam DTA; závislost (tv-te) - τ a te-τ při ohřevu a ochlazování čistého železa
Termická analýza. Podstata termické analýzy (viz Nauka o materiálu v I. ročníku) spočívá ve sledování změny teploty, ke které dochází vybavením nebo pohlcením tepla při fázových přeměnách kovů nebo slitin v tuhém stavu. Tyto změny teploty není možno spolehlivě určovat z ochlazovacích křivek v souřadnicích teplota-čas, protože je-li fázová přeměna spojena s uvolněním malého latentního tepla (a to fázové přeměny v tuhém stavu bývají), nedochází k výraznému zlomu na ochlazovací (ohřívací) křivce. Tento nedostatek odstraňuje diferenciální termická analýza (DTA), jejíž podstata spočívá v měření rozdílu teploty mezi etalonem (standardem) a zkušebním vzorkem /obr. 5.1/.
Rezistometrie. Metody založené na přesném měření změn elektrického odporu jsou velmi citlivé i na malé změny dějů probíhajících v krystalové mřížce. Obvykle však vyžadují přesně definovaný vzorek, pokud možno o minimálním průřezu. Nevýhodou bývá obtížnější výklad získaných výsledků, neboť naměřená hodnota elektrického odporu může být ovlivněna mnoha činiteli. Rezistometrická analýza je vhodná ke zkoumání pochodů probíhajících za konstantní teploty: např. pro konstrukci diagramů izotermického rozpadu austenitu. Více se využívá ke sledování pochodů probíhajících při rozpadu přesyceného tuhého roztoku (stárnutí, vytvrzování) slitin železa i neželezných slitin. Magnetometrie. Magnetická indukční metoda se často používá k sestrojení diagramů IRA a ARA ocelí, neboť austenit je paramagnetická fáze a produkty jeho rozpadu jsou fáze převážně feromagnetické. Tato metoda však nedovoluje rozlišit vznik feritu od perlitu. Vyžaduje také vzorky se známým množstvím feromagnetických a paramagnetických fází. 1
Obr. 5.2: Princip magnetické indukční metody /1-primární cívka, 2-sekundární cívka, 3vzorek, 4-topný odpor, 5termočlánek, 6-zdroj magnetizačního proudu, 7galvanometr, 8-zdroj topného proudu
Princip magnetické indukční metody je na obr. 5.2. Elektrický proud přiváděný do primární cívky měřícího transformátoru indukuje v sekundární cívce napětí závislé na indukčnosti celého systému. Vložení feromagnetického vzorku (obvykle ve tvaru válečku nebo kruhové destičky) do sekundární cívky způsobí vzrůst indukčnosti a tím i vzrůst napětí na sekundární cívce. Zvýšení napětí je přitom přibližně úměrné množství feromagnetických fází ve vzorku. Na tomto principu lze vkládáním různých vzorků (stejného tvaru a velikosti) odlišit podíl jejich paramagnetických fází (např. podíl zbytkového austenitu ve vzorcích zakalené oceli). Doplněním měřícího zařízení ohřívací píckou lze zjišťovat fázové přeměny ve vzorku při ohřevu nebo ochlazování, popř. za konstantní teploty. Pokud ve vzorku probíhá přeměna provázená změnou jeho magnetických vlastností, lze plynulou registrací napětí na sekundární cívce sledovat průběh přeměny. Změna závislosti proudu na čase ukazuje obr. 5.3. Bod P (čas τ1) značí počátek rozpadu, bod K (čas τ2) konec rozpadu austenitu. Tvar křivky v intervalu mezi body P a K vyjadřuje kinetiku rozpadu austenitu. Teplota přeměny je obvykle zjišťována termočlánkem.
Dilatometrická analýza.
Obr. 5.4: Dilatogram eutektoidní uhlíkové oceli a) skutečná dilatační křivka ∆Lv/L0 – T b) diferenční dilatační křivka (Lv-Le)/L0 – T / L0-počáteční délka vzorku, etalonu/
Obr. 5.3: Závislost proudu na čase při rozpadu austenitu Je častou metodou používanou k určení průběhu fázových přeměn v tuhém stavu při ohřevu nebo ochlazování, dovoluje sledovat i průběh izotermické přeměny za zvýšené konstantní teploty. Přístroje pro dilatometrickou analýzu (dilatometry) mohou být velmi rozmanitého provedení. Pece pro ohřev vzorku (obvykle válcovitého tvaru ∅ 2 až 5 mm) mohou pracovat ve vakuu nebo ochranné atmosféře v rozsahu od – 196 do + 1 600 0C. Změny délky vzorku se přenášejí nejčastěji pomocí křemenných tyčinek do měřící části dilatometru. Záznam změn může být mechanický, optický nebo pomocí indukčních snímačů. Výsledkem dilatometrické analýza mohou být v podstatě dva druhy záznamu: • skutečná dilatační křivka – závislost dilatace vzorku na teplotě /∆Lv – T/ • diferenční dilatační křivka – závislost rozdílu 2
dilatace vzorku a etalonu na teplotě /(∆Lv - ∆Le) – T/ Při obou způsobech je používáno etalonu, který nemá ve sledované teplotní oblasti fázové přeměny a jehož délková roztažnost na teplotě je přesně zjištěna. Skutečná dilatační křivka /obr. 5.4a/ se získá přímou metodou, měřením změny délky vzorku; dilatace etalonu je využita pro registraci teploty. U některých dilatometrů (zejména při sledování fázových změn při rychlém ohřevu nebo ochlazování) se k měření teploty používá termočlánek. Výsledek diferenční metody je diferenční dilatační křivka /obr. 5.4b/. Měří se dilatace vzorku a etalonu a jejich rozdíl je zaznamenáván v závislosti na teplotě; změna teploty je odvozena ze známé teplotní roztažnosti etalonu. Tímto uspořádáním se zvýrazní i malé změny dilatace vzorku na dilatační křivce. Moderní dilatometry umožňují obvykle záznam obou druhů dilatometrických křivek. Některé dovolují také sledovat průběh fázové přeměny za konstantní teploty pomocí záznamu délkových změn vzorku v závislosti na čase /∆Lv - τ/. Dilatometrická analýza se rozsáhle využívá k určení kritických teplot při ohřevu a ochlazování kovů a slitin. Ke konstrukci izotermického a anizotermického diagramu rozpadu austenitu se (podobně jako u rezistometrie) doplňuje některou z přímých metod, např. světelnou nebo elektronovou mikroskopií (metalografickou analýzou), popř. měřením tvrdosti.
Obr. 5.5: Konstrukce diagramu ARA
Obr. 5.6: Konstrukce diagramu IRA
Pro sestrojení celého diagramu anizotermického nebo izotermického rozpadu austenitu je nutno provést řadu měření při různých ochlazovacích podmínkách (rychlostech nebo teplotách) – viz obr. 5.5 a 5.6. Transformační diagramy mají značný praktický význam při tepelném zpracování. Tvar a poloha jednotlivých křivek jsou ovlivněny zejména chemickým složením oceli a stavem austenitu, platí tedy pouze pro jednu ocel a určité podmínky austenitizace. Slitinové prvky výrazně ovlivňují základní překrystalizační teploty A3 a A1. Působení jednotlivých prvků je znázorněno na obr. 5.7. Pro odhad výše Obr. 5.7: Schématické znázornění vlivu slitinových překrystalizačních teplot je možno u prvků na polohu bodů překrystalizace nízkolegovaných konstrukční ocelí použít parametrické rovnice: Ac3 = 854 – 179 %C – 14 %Mn + 44,5 %Si – 17,8 %Ni – 1,5 %Cr /°C/ 3
Ac1 = 721 – 14 %Mn + 22 %Si – 14,4 %Ni + 23,3 %Cr /°C/ Legující prvky, zejména karbidotvorné, pak také výrazně ovlivňují polohu fázových přeměn austenitu a mění klasický tvar diagramu, oddělují od sebe perlitickou a bainitickou oblast /obr. 5.8/. Stejně jako u bodů rovnovážných přeměn, možno pro informaci použít parametrické rovnice jako např.: Ms = 561 – 474 %C – 33 %Mn – 17 %Cr – 17 %Ni – 21 %Mo – 11 %W – 11 %Si + 27 %Nb – 44 %V – 19 %Ti /°C/ Mf = (364 ± 15) – 474 %C – 33 %Mn 17 %Ni – 17 %Cr – 21 %Mo /°C/
Obr. 5.8: Schématické znázornění vlivu slitinových prvků na polohu bodů rozpadu austenitu Ukázky diagramů anizotermického rozpadu některých typických ocelí a jejich ovlivnění chemickým složením event. teplotou austenitizace (nasycením austenitu) jsou ukázány na obr. 5.9 až 5.12.
Obr. 5.9: Ocel 12050 – austenitizace 880 °C
4
Obr. 5.10: Ocel 14140 – austenitizace 850 °C
Obr. 5.11: Ocel 19436 – austenitizace 950 °C
5
Obr. 5.12: Ocel 19436 austenitizace 1050 °C
6
