Fázové přeměny slitin železa v tuhém stavu

1. Fázové přeměny slitin železa v tuhém stavu

2. Polymorfní přeměny kovů • Mění se typ mřížky • Schopnost měnit mřížku – polymorfie – překrystalizace • Změna mřížky – změna vlastností (měrný objem…)

3. Fázové přeměny v tuhém stavu • Homogenní – chybí stádium nukleace (nevzniká fázové rozhraní) • Heterogenní - nukleace a růst nových fázových rozhraní • Tepelně aktivovaný růst – polymorfní,masivní, precipitace, eutektoidní a bainitické • Atermální - martenzitické

4. Fázové přeměny s tepelně aktivovaným růstem • Heterogenní nukleace na defektech mřížky: hranice zrn, hranice dvojčat, dislokace, vrstevné chyby…. • Zárodek roste snadněji do zrna s nízkou koherencí. • Popis kinetiky – diagramy izotermického nebo anizotermického rozpadu austenitu.

5. Fázové přeměny slitin železa v tuhém stavu • Polymorfie železa, změny rozpustnosti legur spojené s fázovými přeměnami a s poklesem teplot spolu se značnou rozdílností v hodnotách difuzivit intersticiálních a substitučních prvků jsou příčinami značné variability v možných fázových přeměnách slitin železa. • Pozitivní využití – tepelné zpracování (možnost měnit vlastnosti slitin železa v širokém rozsahu) • Negativní důsledky – tzv. stárnutí oceli (precipitační rozpad tuhého roztoku – feritu)

6. Rozpad tuhých roztoků • Přesycené tuhé roztoky – slitiny s omezenou rozpustností • Rozpad samovolný – přirozené stárnutí (při teplotě okolí) • Rozpad při zvýšené teplotě – umělé stárnutí • Kotinuální precipitace – v celém objemu najednou • Diskontinuální precipitace – v určitých oblastech teplota Složení %

7. Precipitační rozpad polymorfních ocelí (stárnutí ocelí) • Rozpustnost intersticiálních prvků (C,N) s klesající teplotou se zmenšuje a po rychlejším ochlazování z teplot těsně pod A1 je ferit těmito prvky přesycen. • Po rychlém ochlazení jsou C, N náhodně rozloženy ve feritu, ve feritu je dostatek volných dislokací (nejsou obsazeny C,N). • Kontinuální precipitace začíná i za pokojové teploty difúzí atomů C,N do příznivějších poloh kolem mřížkových poruch, začínají se vylučovat koherentní precipitáty přechodných intersticiálních fází (Fe2C (ε), Fe16N2) bohatých na C a N. • Růst pevnosti, tvrdosti, pokles houževnatosti, zvýšeni tranzitní teploty

8. Precipitační rozpad polymorfních ocelí (stárnutí ocelí) • Nepříznivé důsledky jsou nejvýraznější u nízkouhlíkových ocelí do 0,2 %C. • Při zvyšování teploty stárnutí dochází k přeměně přechodných precipitátů na precipitáty stabilních fází (Fe3C) • Hlavním zdrojem dislokací je zpravidla plastická deformace za studena, proto rozlišujeme dva druhy stárnutí: stárnutí po zakalení (precipitační stárnutí) a deformační stárnutí (stárnutí po tváření za studena)

9. Důsledky stárnutí oceli • Zvýšení pevnosti a tvrdosti • Snížení plastických vlastností a houževnatosti • Zvýšení tranzitních teplot • Zvýšení křehkosti oceli u zařízení pracujících za vyšších teplot, v tepelně ovlivněné oblasti svaru.

10. Způsoby jak zabránit stárnutí oceli • Snížení obsahu dusíku a uhlíku – lze provést při výrobě kyslíkovém konvertoru s následným mimopecním zpracováním (vakuováním), • Vazba C a N na stabilní sloučeniny – při výrobě lze přidávat nitridotvorné prvky Al, Ti, Nb

11. Precipitační rozpad nepolymorfních ocelí • Oceli u nichž nedochází k přeměně krystalové mřížky • Jsou bohatě legované prvky stabilizující ferit nebo austenit Cr, Si, Al, W, Mo, V, Ti Ni, Mn, Co

12. 0 % Cr Rozšíření oblasti feritu 12 % Cr

13. Precipitační rozpad nepolymorfních ocelí • U těchto slitin vede precipitace karbidů ke zkřehnutí a také ke snížení odolnosti vůči mezikrystalové korozi (vylučování karbidů bohatých na Cr) • Výrazného zpevnění dosahujeme u austenitických ocelí precipitačním rozpadem přesyceného austenitu • Vytvrditelné austenitické oceli obsahují vedle základních legur (Ni, Cr) další přísady (W, Mo, V, Ti, B, Al) podílející se na tvorbě vytvrzujících fází.

14. Fázové přeměny s tepelně aktivovaným růstem • Za pokojové teploty je rovnovážná struktura uhlíkových ocelí tvořena směsí feritu a perlitu (tzv. oceli podeutektoidní), feriticko-cementitické. • Slitinové oceli vyjma ocelí bohatě legovaných (nepolymorfní oceli, martenzitické oceli) mají strukturu feriticko-cementitickou. • Základním procesem při všech postupech překrystalizačního tepelného zpracování je austenitizace • Přeměna feriticko-cementitické struktury na strukturu austenitckou – ohřev nad kritické teploty

15. Fázové přeměny s tepelně aktivovaným růstem • Nejzákladnější dva pochody austenitizace • Tvorba a homogenizace austenitu • Růst austenitického zrna

16. Tvorba a homogenizace austenitu • Austenit – tuhý roztok uhlíku v železe gama • V železe γ se může rozpustit až 2,11 %C.

17. Tvorba a homogenizace austenitu • Přeměna feriticko-cementitické struktury za rovnovážných podmínek na strukturu austenitickou probíhá v rozmezí teplot Ac1 až Ac3 nebo Ac1 až Acm • Austenitizace začíná přeměnou perlitu na austenit a je následována postupnou přeměnou feritu (sekundárního cementitu) v austenit při zvyšování teploty nad Ac1 • Difúzní přeměna – tvorba zárodků a jejich růst

18. Tvorba a homogenizace austenitu • Při přeměně perlitu na austenit zůstávají zbytky karbidů, které se postupně rozpouštějí. • Lokální rozdíly koncentrací uhlíku a přísadových prvků v austenitu se vyrovnávají v průběhu času a při zvyšování teploty. • Homogenita chemického složení austenitu je řízena difúzní rychlostí substitučních prvků. • Průběh austenitizace je ovlivňován výší teploty, rychlostí ohřevu, výchozí strukturou a chemickým složením oceli. • Sorbit, jemný perlit, hrubý zrnitý perlit. • S obsahem uhlíku se austenitizace urychluje. • Karbidotvorné prvky dobu přeměny zvětšují.

19. Austenitické zrno a jeho velikost • Velikost austenitického zrna ovlivňuje mechanické a technologické vlastnosti ocelí. • Velikost austenitického zrna závisí na stavu výchozí struktury, na době a teplotě austenitizace. • Primární austenitické zrno vzniká při odlévání taveniny – lze zjemnit při výrobě (přísady Mo, Ti, Zr, Nb, Ta, nebo způsobem zpracování kontilití, minimalizace licí teploty). • Sekundární austenitické zrno – vzniká při opakované překrystalizaci feriticko-cementitické (karbidické) struktury • Velikost sekundárních zrn je určena procesy statické a dynamické rekrystalizace. • Růst zrna se uskutečňuje srůstem drobných zrn srůstáním nebo posuvem hranic zrn.

20. Austenitické zrno a jeho velikost • Jemnozrnné (b) – dezoxidované Al, Ti, Zr • Hrubozrnné (a) – Mn, Si • Růstu austenitické zrna za zvýšené teploty brání také karbidotvorné prvky pokud se jejich karbidy nerozpustí v austenitu • Zjemnění zrna lze dosáhnout normalizací, řízeným válcováním