KURZUS: Mérnöki anyagismeret

MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés

15. lecke: Egyensúlyitól eltérő átalakulások. Ausztenitesítés

  • az átalakulások egyensúlyitól való eltérésének okai
  • a kristályosodással keletkezett ausztenit jellemzői
  • az ausztenit egyensúlyi módon való kialakulása hevítésnél
  • az eutektoidos- a hipoeutektoidos- és a hipereutektoidos acélok egyensúlyi ausztenitesedése
  • az ausztenit nem egyensúlyi képződése
  • ausztenitesedési diagrammok értelmezése
  • a hevítéssel keletkezett ausztenit jellemzői
  • a hevítéssel keletkezett ausztenit szemnagyságát befolyásoló tényezők és hatásuk

A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:

  • meghatározni a kristályosodással és a hevítéssel keletkezett ausztenit jellemzőit, az ausztenit szemcsenagyságát befolyásoló tényezőket
  • jellemezni az ausztenitedés folyamatát
Az egyensúlyitól eltérő átalakulások. Ausztenitesítés

Az előzőekben láttuk, hogy az egyensúlyi diagramok alapján meg lehet határozni a kristályosodás, a fázis átalakulások stb. hőmérsékleteit.

Minél nagyobb a lehűtés vagy hevítés sebessége annál nagyobb az eltérés az egyensúlyi és a tényleges átalakulási hőmérséklet között.

A valóságban, ha a lehűlési sebesség nem nagyon lassú, "végtelen lassú'', hanem nagyobb, ezek a folyamatok, nem a diagram jelezte hőmérsékleten mennek végbe, mert a fázisátalakulások túlhűtést igényelnek, és a túlhűtés mértéke nem független a lehűlési sebességtől.

A szilárd oldatokban a fázisátalakulások esetében jelentősen változik az összetétel is. A összetétel megváltozása szilárd állapotban diffúzióval lehetséges. A diffúzió pedig időt igényel. Minél gyorsabb a hűtés vagy a hevítés annál kevesebb az idő a diffúzióra.

Az ausztenitesedés folyamata

A vasötvözetek között kiemelt jelentőséggel bírnak az acélok. Az acélok szobahőmérsékleten előforduló szövetelemei kivétel nélkül az ausztenitből képződnek. Az ausztenit mint "anyafázis" meghatározza a belőle képződő szövetelemek tulajdonságait. Ezért először az ausztenittel kell megismerkednünk.

Az acélokban kétféle módon keletkezhet ausztenit

  • kristályosodással
  • hevítés során
A kristályosodással keletkező ausztenit

Az ausztenit szilárd oldat, ezért a kristályosodással létrejövő  ausztenit összetétele nem egyenletes, hanem réteges. A krisztallit belseje az ötvözőkből, szennyezőkből kevesebbet tartalmaz, mint a széle.

A hevítésnél keletkező ausztenit (egyensúlyi)

Az egyensúlyi diagram szerint eutektoidos acélban az ausztenitesedés 723 C°-on (A1 hőmérséklet) játszódik le, az alábbi egyenlet szerint:

α P ( 0,025 ) + Fe 3 C ( 6,67 ) γ S ( 0,8 )

A hőmérséklet nem változhat, hiszen a három fázis miatt Sz = 0.

1. ábra. Az Fe-Fe3C diagram eutektoidos részlete, ausztenit képződése
  • Az ausztenit képződése a fázisok határvonalán kezdődik, ott ahol a legtöbb a rácsrendezetlenség, tehát a legmagasabb az energiaszint.
  • α t.k.k. rácsa átalakul l.k.k. γ -vá, és a megnövekedett C oldóképesség eredményeként a vaskarbid Fe3C C-jának diffúziója megkezdődik.
  • A folyamat csiraképződéssel jár és diffúziót igényel!
  • A hipoeutektoidos acélokban a továbbiakban a ferrit alakul át ausztenitté
  • a hipereutektoidos acélokban az ausztenit növekvő hőmérséklettel növekvő C oldóképessége feloldja a Fe3CII-t.
Az ausztenit képződése a valóságban
2. ábra. A szabadenergiák az átalakulási hőmérséklet közelében

Az ausztenit képződése a valóságban nem mehet végbe az egyensúlyi hőmérsékleten, hiszen az átalakulás hajtóereje az α és γ fázisok közötti szabadenergia különbség, ami az átalakulás hőmérsékletén nulla, ezért  túlhevítésre van szükség.

Az ausztenit az acélokban valóságos körülmények között létrehozható:

  • izotermikus hevítéssel
  • folyamatos hevítéssel

Az ausztenitesedés folyamatát az ausztenitesedési diagramok mutatják.

Izotermikus ausztenitesítési diagram

Az izotermikus hevítés azt jelenti, hogy adott hőmérsékletű só vagy fémfürdőbe dobjuk a darabot. A darab, ha elég kicsi pl. 2-3 mm vastag kb. 5 mm átmérőjű korong vagy lapka, hamar átveszi a hőmérsékletet, és ettől kezdve a hőmérséklet állandó.

A próbatesteket adott hőmérsékletű (T>Ac1) sófürdőben különböző, egyre növekvő ideig tartjuk, majd onnan kivéve azonnal vízbe dobjuk.

A gyors hűtés hatására a már keletkezett ausztenit egy kemény fázissá az ún. martenzitté alakul, a még át nem alakult szövetelemek viszont a gyors hűtés során nem változnak.

A folyamat keménységméréssel vagy szövetvizsgálattal nyomonkövethető. A kísérletet több hőmérsékleten elvégezve az ausztenitté átalakulás megkezdéséhez és a befejeződéséhez szükséges idő meghatározható. A mért értékekből ausztenitesítési diagram szerkeszthető.

Izotermikus = állandó hőmérséklet
3. ábra. 0,45% C tartamú acél izotermikus ausztenitesítési diagramja

Az ábrán, a vízszintes tengelyen a sófürdőben tartásideje van feltüntetve. Mivel itt néhány másodperctől több óra időtartamot is kell tudni ábrázolni, az időadatokat logaritmikus léptékben tüntetjük fel. A függőleges tengelyen a különböző hőmérsékletek vannak (a sófürdő hőmérséklete). A pirossal behúzott vízszintes vonal az A1 egyensúlyi 723 C° hőmérséklet. Ehhez a vonalhoz tart az alsó két hiperbola. A felső az A3 hőmérséklethez. Ezek a hiperbolák egyensúlyi helyzetben az ötvözetjelzőnek a PS vonallal és a GS vonallal való metszéspontnak felelnek meg. (Lásd 1. ábra.)

A diagramból látható, hogy először a perlit ausztenitesedik, majd a ferrit alakul át. Legtöbb időt a vaskarbid átalakulása igényli, a nagy koncentráció különbség miatt. Megfigyelhető, hogy ha izotermikusan növeljük a hőmérsékletet az ausztenitesedés hamarabb kezdődik és hamarabb ér véget, mivel nagyobb a hőmérséklet különbség, tehát az ezzel arányos szabadenergia különbség a hajtóerő, de a magasabb hőmérsékleten nagyobb a diffúzió is.

Az izotermikus diagramok használhatósága korlátozott, mivel a gyakorlatban a nagyobb darabok esetén nehéz, vagy nem is lehet az izotermikus hevítés feltételeit megvalósítani.

Folyamatos ausztenitesítési diagram
Dilatáció=tágulás

A folyamatos hevítésre érvényes diagramokat szabályozható hevítési sebességgel hevített darabok dilatométeres görbéi alapján veszik fel. A tágulás mérése alkalmas az ausztenitesedés vizsgálatára, ugyanis az átalakulás a fajtérfogat csökkenésével jár.

Egy arra alkalmas berendezésben kisméretű próbatestet hevítenek vagy hűtenek és az átmérőjét vagy hosszát mérik.

A vízszintes tengelyen a felhevítés ideje logaritmikus léptékben, a függőleges tengelyen a hőmérséklet van feltüntetve.
A hiperbolák az A1 (itt Ac1, a c arra utal, hogy az A1 egyensúlyi értéke hevítésnél felfelé tolódik el. Ezt jelöli a c) illetve az Ac3 hőmérséklethez tartanak.
4. ábra. 0,7% C tartalmú acél folyamatos ausztenitesítési diagramja

A folyamatok megegyeznek a 3. ábrán leírtakkal.

Figyelje meg, hogy a folyamatos hevítés sebessége az átalakulást a magasabb hőmérséklet és a kisebb idő irányába tolja el.

A diagramokról leolvasható, hogy adott hevítési viszonyok mellett mennyi idő múlva kezdődik az átalakulás, és mennyi idő múlva ér véget.

A hevítéssel keletkezett ausztenit tulajdonságai
  • az összetételétől
  • az összetételének egyenletességétől és
  • nem utolsó sorban a szemcsenagyságtól függnek.

A szemcsenagyság szerepe a elsősorban a lehűlés közben bekövetkező átalakulásoknál jelentős, hiszen a krisztallithatár a legreakcióképesebb.

A hevítéssel keletkező ausztenit legfontosabb tulajdonsága az, hogy szemcsenagysága nem állandó, hanem mindaddig, amíg az acél ausztenites állapotban van a szemcsenagysága állandóan nő, és hűtéskor a lehűlési sebességtől függetlenül megtartja a hevítésnél kialakult szemcseszerkezetet. Ezt a viselkedést irreverzibilis szemcsedurvulásnak nevezzük.

Mitől függ a hevítéssel keletkezett ausztenit szemcsenagysága
  • hőmérséklet
  • hőntartási idő
  • az ausztenit összetétele

Az izzítás hőmérsékletének növelésével az ausztenit szemnagysága erősen nő.

5. ábra. Az ausztenitesítés hőmérsékletének hatása

A függőleges tengelyen a szemcsenagyság jelzőszáma, a vízszintes tengelyen az ausztenitesítés hőmérséklete van feltüntetve. A jelzőszám értelmezése

S = 2 m + 3 [ szemcsedb mm 2 ]

ahol
S az 1 mm2-re eső szemcsék száma
m a fokozatszám

Tehát minél kisebb a fokozatszám, annál durvább a szemcseszerkezet.

Az ábrán a normális acél szemcsenagysága a hőmérséklettel fokozatosan nő. A finomszemcsés acél tartalmaz szemcsefinomító ötvözőket pl. alumíniumot, amely megakadályozza a szemcsedurvulást. Az Al az acélban lévő nitrogénnel nitridet képez és az ausztenit szemcsehatárokon helyezkedik el. Amíg ezek oldatba nem mennek az ausztenit szemcsenagysága alig nő. Azután azonban rohamos a durvulás.

A hőntartási idő hatása is hasonló a hőmérsékletéhez, ha nem is olyan nagy mértékben, mint a hőmérséklettel, durvul az ausztenit. Az ausztenit összetételének hatása pl. Al finomító hatású lehet.

6. ábra. A felhevítés sebességének hatása

Figyelje meg az ábrán, hogy az 1 C°/s felhevítési sebesség lényegesen durvább ausztenitet eredményez adott hőmérsékleten, mint az 100 C°/s.

Fontos megjegyezni, hogy a hevítés sebessége is lényeges, gyors hevítésnél, nincs idő a durvulásra.

Ellenőrző kérdések

Jelölje meg az egy helyes választ!

1. Mi jellemzi a hevítéskor keletkező ausztenit szemcsenagyságát?
A hőmérséklet és a hőntartási idő a szemcsenagyságot növeli.
A hőmérséklet növelésével nő, visszahűtve csökken.
Irreverzibilis durvulás, ami azt jelenti, hogy a hőmérséklet növelésével nem nő.
A hevítés sebességének növelésével nő.
2. Mi jellemzi a kristályosodással keletkezett ausztenitet?
A szemcsenagysága nem állandó.
Szilárd oldat, összetétele nem egyenletes, homogén.
Szilárd oldat réteges, összetétele nem egyenletes.
Vegyület, összetétele nem egyenletes, nem homogén.
3. Mi jellemzi az eutektoid (perlit) ausztenitesedését?
Diffúziós folyamat, a fázisok határvonalán kezdődik, nem jár csiraképződéssel.
Diffúziós folyamat, a fázisok határvonalán kezdődik, csiraképződéssel jár.
Csak folyamatos hevítéssel hozható létre.
Rácsátbillenéssel jön létre, diffúziós folyamat.
4. Hogyan befolyásolja a hevítés hőmérséklete a hevítéskor keletkező ausztenit szemcsenagyságát?
Magasabb hőmérsékleten finomabb.
Magasabb hőmérsékleten durvább.
Nem befolyásolja csak a hőntartás ideje.
Nem befolyásolja csak az ausztenit karbon tartalma.
5. Mit jelent a hevítéskor keletkező ausztenit irreverzibilis szemcsedurvulása?
Ausztenites állapotban a szemcsenagyság nő, lehűtéskor csökken.
Ausztenites állapotban a szemcsenagyság nő, lehűtéskor is megmarad.
Ausztenites állapotban a szemcsenagyság állandó, lehűtéskor csökken.
Ausztenites állapotban a szemcsenagyság állandó, lehűtési sebesség növelésével nő.
6. Vizsgálja meg a táblázatban feltüntetett állításokat. Jelölje be, hogy igaz vagy hamis!
Folyamatos hevítéssel az ausztenit képződése a magasabb hőmérsékletek és a rövidebb idő felé tolódik el.
A folyamatos ausztenitesítési diagram használata korlátozott, mert nehéz megvalósítani a folyamatos hevítést.
Az izotermikus ausztenitesítési diagram használata korlátozott, mert a nagyobb darabok esetében hevítést nehéz megvalósítani az izotermikus hevítés.
A hevítéskor keletkező ausztenit szemcsenagysága nem állandó, magasabb hőmérsékleten durvább.
A finomszemcsés acélokban a nitrid zárványok gátolják az ausztenit szemcsedurvulását.