KURZUS: Mérnöki anyagismeret
MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés
16. lecke: Az ausztenitesít átalakulásai. Átalakulási diagrammok
| ||||
A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti: | ||||
| ||||
![]() | Az ausztenit átalakulásai | |||
Az ausztenit egyensúlyitól eltérő módon végbemenő átalakulásai az A1 hőmérsékleten bekövetkező eutektoidos folyamat tanulmányozásával figyelhetők meg. | ||||
Az eutektoidos folyamat: | ||||
A folyamat két rész folyamatra bontható. Ezek: | ||||
| ||||
A két részfolyamat időszükséglete nagyon eltérő. | ||||
| ||||
| ||||
Az ábrán megfigyelhető, hogy az egyensúlyi (átalakulási) hőmérsékleten az átalakulási kényszer (csira képződés) nulla, az időszükséglet végtelen, annak ellenére, hogy itt a legnagyobb a diffúzió. Nagy túlhűtés esetén ugyan nagy az átalakulás hajtóereje, de kicsi a diffúzió, tehát az átalakuláshoz szükséges idő, szintén nagy. A legkisebb idő akkor kell, ha a túlhűtés már elegendően nagy, de még elegendően nagy a diffúzió. Ha az átalakulás időszükségletét az idő logaritmusának függvényében ábrázoljuk C betűre emlékeztető alakú görbét kapunk, amelyet alakja miatt, C görbének neveznek. | ||||
Az ausztenit átalakulásainak jellemzői | ||||
Lassú hűtés esetén az átalakulás mindkét rész folyamata bekövetkezik. | ||||
| ||||
Ha az ausztenitet az átalakulás hőmérsékletéről nagyon gyorsan (pl. vízben) hűtjük, a két rész folyamat közül, csak a rácsátalakulás megy végbe, a karbon diffúzió idő hiányában nem. | ||||
| ||||
![]() | Az ausztenit diffúziós átalakulásai | |||
Perlites átalakulás | ||||
Az ausztenit az A1 hőmérséklet (723 C°) és kb. 550 C° között alakul át perlitesen. | ||||
| ||||
Ebben a hőmérséklet tartományban az eutektoidos átalakulás két részfolyamata közül a C diffúzió, a Fe3C képződése van "kedvezőbb helyzetben", mivel a viszonylag kis túlhűtés miatt nem túl nagy az átalakulás hajtóereje, de a nagy hőmérséklet miatt, nagy a diffúzió. | ||||
Az átalakulás az ausztenit krisztallit határon megjelenő Fe3C csirákkal kezdődik. A C atomok az ausztenitből a cementit csira felé vándorolnak, így a csira környezete C-ben elszegényedik, és átalakul ferritté. | ||||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrán a C atomok mozgásának iránya a sötéttel jelzett Fe3C felé történik. Az Fe3C lemezek mindkét oldalán kialakul az ferrit. A folyamat körben az ausztenit szemcse határán lejátszódik. A befelé növekvő, összeérő kristályok a jellegzetes poligonális kristályhatárokat mutató, lemezes szerkezetű perlitet eredményezik. | |||
A szövetképen a sötét vonalak az Fe3C, a világos részek a ferrit lemezek. |
| |||
Az átalakulást a túlhűtés és a lehűlés sebessége úgy befolyásolja, hogy a nagyobb túlhűtés ill. sebesség a diffúzió feltételeit rontja, tehát a C atomok adott idő alatt rövidebb utat tudnak megtenni, vagyis a lemezek mérete csökken. | ||||
A kisebb vastagságú lemezből álló finomabb szövetszerkezet nagyobb folyáshatárral, keménységgel, de kisebb alakváltozó képességgel jellemezhető. | ||||
A perlites átalakulás jellemzői (összefoglalás) | ||||
A homogén ausztenitből és Fe3C fázisokból álló kétfázisú eutektoid képződik. |
| |||
A ausztenitből és Fe3C, a perlitből hevítéssel pedig keletkezik. |
| |||
Ejtsd bénit. | Bainites átalakulás | |||
Ha az ausztenitet 550 C° és kb. 250 C° közé hűtjük az átalakulás már más mechanizmussal megy végbe. | ||||
Az eltérés oka, hogy ebben az esetben sokkal nagyobb a túlhűtés, tehát az átalakulás hajtóereje, így a két részfolyamat közül a átalakulás van "kedvezőbb helyzetben". | ||||
Az ausztenit kristályhatáron tehát megjelennek a tű alakú ferrit csirák. | ||||
| ||||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrát! Az első rajz az ausztenit kristályhatáron megjelenő tű alakú ferrit csirát mutatja. A második rajzon azt látja, hogy a csira gyorsan nő. | |||
A túltelített ferritből azonban ezen a hőmérsékleten még ki tud diffundálni a C, tehát a ferrit tűk mellett apró Fe3C korongocskák keletkeznek. A ferrit növekedési sebessége lényegesen nagyobb, mint a diffúzió biztosította cementit képződés, ezért a cementit korongokat "benövi" a ferrit, és kialakul, a ferrit alapba ágyazott cementit korongocskákból álló szövetszerkezet, a bainit. | ||||
![]() | ![]() Nézze tovább a 4. ábrát! A harmadik rajzon, a tű alakú ferrit csira "tövében" megjelent a pici Fe3C "korongocska" (a rajzon sötét színű). A gyorsan nővő ferrit benövi a cementit korongocskákat (negyedik, ötödik rajz.) | |||
A bal oldali kép a bainit tű elektronmikroszkópos képét mutatja. Jól megfigyelhetők a "tűben" a cementit korongocskák. A jobb oldali ábra bainites szövetszerkezet mikroszkópos képe. N 500x. |
| |||
A bainites átalakulás folyamatát a ferritkristályok növekedése szabályozza. A bainit képződést is természetesen befolyásolja a túlhűtés. Ha túlhűtés kisebb (a hőmérséklet 500 C° körül), az ún. felső bainitet kapjuk. | ||||
A felső bainit szerkezete mikroszkópon jól felismerhető. | ||||
A ferrit karbon tartalma a kedvezőbb diffúzió miatt alacsony (kb. 0,025-0,006% C), csaknem megközelíti az egyensúlyit. | ||||
| ||||
350 C° alatt azonban olyan nagy a átalakulás hajtóereje, hogy az ausztenit kristályhatáron karbonnal erősen túltelített ferrit tűk jelennek meg, és a nagyon kicsi diffúzió nem teszi lehetővé, hogy a C-atomok jelentős mennyisége kidiffundáljon Fe3C korongokat képezve. Ezért a ferrit C tartalma meghaladja az egyensúlyit (0,15-0,3%) és az Fe3C már csak elektronmikroszkópon fedezhető fel. | ||||
| ||||
A bainites átalakulás jellemzői (összefoglalás) | ||||
Folyamatos hűtésnél mindig keletkezik martenzit is. |
| |||
![]() | Martenzites átalakulás | |||
Ha az ausztenitet nagyon gyorsan kb. 250 C°-ra le tudjuk hűteni úgy, hogy diffúziós átalakulás ne jöhessen létre, az átalakulás egy új mechanizmussal, martenzitesen megy végbe. Ebben az esetben a két részfolyamat közül, csak a rácsátalakulás következik be. | ||||
A diffúziós átalakulások elkerüléséhez szükséges sebesség a felső kritikus lehűtési sebesség. | ||||
Az átalakulás rácsátbillenéssel jön létre, a C atomok nem tudnak kidiffundálni, az térközepes köbös rácsát tetragonálissá torzítják, ugyanis a C atomok az oldaléleken, a Fe atomok közé beékelődve helyezkednek el. | ||||
A lapközepes köbös ausztenitben oldott C jóval több, mint ami a térközepes köbös ferritben elférne (A1 hőmérsékleten a 0,8%C-t, míg az a csak 0,025%C-t tud oldani). A lehűlés sebessége olyan nagy, hogy a C atomok meg sem tudnak mozdulni, ott maradnak ahol voltak és erőssen eltorzítják a rácsot. Az ilyen rács a "tetragonálissá" (négyzetes oszlop) torzult. |
| |||
![]() | ![]() Az ábra a C tartalom függvényében mutatja a lapközepes köbös ausztenit, és a c-vel jelzett tetragonális martenzit rácsméretét. Jól látható, hogy a C tartalom növelése a torzítást (a z tengely irányú méret) növeli. | |||
A torzítás mértéke az ausztenit C tartalmának függvénye. | ||||
| ||||
![]() | ![]() Az ábrán a C tartalom függvényében a perlit (egyensúlyihoz közeli szövetszerkezet) és a martenzit HV keménységét látjuk. A martenzit keménysége kb. 0,8% C tartalomig nő. | |||
A torzulás nagy belső feszültséget eredményez, ami a martenzitet nagyon keménnyé, rideggé teszi. | ||||
A martenzites átalakulás akkor indul meg, ha a martenzit szabadenergiája (FM) elegendő mértékben kisebb az ausztenit szabadenergiájánál (FA). | ||||
| ||||
![]() | ![]() Figyelje meg, ahogy csökken a hőmérséklet egyre nagyobb a különbség a két fázis energiája között, tehát egyre nagyobb lesz az átalakulás kényszere, a hajtóerő! | |||
A szabadenergia különbség FA - FM >> 0, hiszen a fedezni kell | ||||
| ||||
Ha az energia megvan, az átalakulás azonnal végbemegy, az ausztenit krisztalliton belül határtól, határig nőnek a martenzit tűk. Mivel az energia "elhasználódik", a további átalakulás újabb energia szükséglete, csak folyamatos hűtéssel biztosítható. Az újabb martenzittűk mérete kisebb lesz. | ||||
Ms martenzites átalakulás kezdő hőmérséklete Mf befejező hőmérséklete |
| |||
![]() | ![]() Figyelje meg, hogy a C tartalom növekedésével egyre alacsonyabb hőmérsékleten kezdődik az átalakulás. Ennek az az oka, hogy az ausztenitben oldott több C egyre nagyobb energiát igényel a rács "szétfeszítéséhez". | |||
A martenzites átalakulás kezdő és befejező hőmérséklete a lehűlési sebességtől független az csak a C tartalom függvénye. | ||||
Az ábra durva martenzitet mutat. A képen a sötétebb színű tűk a martenzitek, a közbenső fehér rész az átalakulatlan ausztenit. |
| |||
A martenzites átalakulás előrehaladásával az energia igény nő. Ennek az egyik oka az, hogy az átalakulás egy-egy ausztenit kristályon belül játszódik le, és a keletkezett martenzit a még át nem alakult részeket közrefogja "összenyomja". Újabb átalakulás során a fajtérfogat növekedés energia igénye ezért nagyobb. Az átalakulás előrehaladásával kisebb tűk képződnek, amelyeknek a felület/térfogat aránya nagyobb, ezért nő a felületi energia igény is. Az ausztenit tömegével arányos energia viszont az ausztenit átalakulásával csökken. Ezekből következően az átalakulás nem eredményezhet 100% martenzitet. Az át nem alakult ausztenitet maradék ausztenitnek nevezzük. | ||||
Megjegyzés: a maradék ausztenit mennyisége kb. 0,6% C tartalom alatt 1% körüli, annál nagyobb karbon tartalom esetén szobahőmérsékletig végzett hűtés esetén nő, mivel Mf < 0. Mennyisége mélyhűtéssel (szobahőmérséklet alá) csökkenthető. | ||||
A tűk közötti világos részek a maradék ausztenitek. |
| |||
A martenzites átalakulás jellemzői (összefoglalás) | ||||
A homogén egy fázisú ausztenitből, homogén egyfázisú martenzit képződik. |
| |||
A martenzit hevítésekor felbomlik és Fe3C fázisokra. A folyamat bonyolultabb, később tárgyaljuk. |
| |||
Az eutektoidos átalakulást megelőző folyamatok | ||||
A hipoeutektoidos acélok lehűtése során az ausztenit átalakulását megelőzi a ferrit, hipereutektoidos acélok esetében pedig a szekunder cementit kiválása. Az átalakulások diffúziós átalakulások, és mivel megelőzik az eutektoidos átalakulást ezért proeutektoidos átalakulásoknak nevezik. A keletkező proeutektoidos fázisok mennyisége a túlhűtéstől, a lehűtési sebességtől függ, megjelenési formái a karbon tartalmon kívül, az ausztenit szemnagyságától is függ. Az ausztenit szemnagyságának hatása abban nyilvánul meg, hogy a krisztallithatár a legreakcióképesebb. A durvább ausztenitben kevesebb a krisztallithatár, ezért az átalakulások megkezdődéséhez hosszabb idő kell. | ||||
Hipoeutektoidos acélok | ||||
| ||||
A b) megfigyelhető hegesztett kötések hőbefolyásolt zónájában, vagy túlhevített acélokban. | ![]() | ![]() Az ábrasor balról jobbra haladva csökkenő proeutektoidos ferritet mutat. (a fehér a ferrit, a sötét a perlit) | ||
Ahogy nő az acél C tartalma vagy a lehűlési sebesség, izotermikus hűtés esetén a hőmérséklet úgy egyre romlanak a diffúzió feltételei, tehát a ferrit kialakulásának esélye csökken. A masszív ferrit helyett akár ferritfoltos állapot is kialakulhat, de lehet olyan lehűtés is ahol teljesen elmarad a ferrit kiválása. | ||||
Hipereutektoidos acélok | ||||
Az ausztenit eutektoidos átalakulását megelőzi a cementit kiválása. | ||||
A kiváló szekunder cementit lehet: | ||||
| ||||
A képen a fehér vonalak a volt ausztenit krisztallithatáron kivált szekunder cementitek. |
| |||
Proeutektoidos átalakulások | ||||
A keletkező proeutektoidos fázisok mennyisége függ: | ||||
| ||||
![]() | Átalakulási diagramok | |||
| ||||
Az átalakulási diagramokban különböző hőmérsékleteken | ||||
| ||||
Az idő logaritmikus léptékben van! | ||||
Az izotermikus átalakulási diagrammok felvétele | ||||
Az izotermikus átalakulási diagramokat, vagy C-görbéket az ausztenitesítési diagramoknál ismertetett mérésekkel vehetjük fel. | ||||
A kísérlethez ebben az esetben is kis méretű kb. 5 mm átmérőjű 1-4mm vastag furattal ellátott próbatesteket készítünk, és ezeket kemencében ausztenitesítjük A próbatesteket ezután adott hőmérsékletű sófürdőbe helyezzük különböző időre (1 sec-tól több óra), majd a hőntartás elteltével vízbe dobjuk. A vízhűtés hatására a még át nem alakult ausztenit martenzitté alakul, az átalakulás során keletkező szövetelemek változatlanul maradnak. | ||||
Az átalakulási folyamatokról mikroszkópos vizsgálattal, vagy még egyszerűbben keménység méréssel győződhetünk meg. Ha a keménységeket a sófürdőben tartás idejének függvényében ábrázoljuk a különböző hőmérsékleteken S alakú görbéket kapunk. Ahol a keménység csökkenni kezd van az átalakulás kezdő (start), ahol állandóvá válik a befejező (finish) pontja. | ||||
Izotermikus diagramok | ||||
| ||||
Elvben minden acél izotermikus átalakulási diagramjának három része van | ||||
| ||||
| ||||
![]() | ![]() Figyelje meg az ábrát! Az ábrán fel vannak tüntetve az egyes átalakulások, sőt azt is láthatja, hogy ezek hogyan történnek. | |||
![]() | ![]() A gyakorlatban a különböző összetételű acélok izotermikus átalakulási diagramjait mérésekkel veszik fel és különböző atlaszokban, kézikönyvekben publikálják. A 18. és 19. ábrák a Max Planck Institut által kiadott hőkezelési atlaszból kivett acélok izotermikus diagramjai. | |||
Az ábrán feltüntetett jelölések: A az ausztenit területe F a ferritképződsé területe P a perlitképződés területe Zw a bainit képződés területe (a német irodalmakban a bainit elnevezés Zwischenstufengefüge) M a martenzitképződés területe o keménység HRC illetve HV értékben kifejezve 1,2, .. szövetlemek mennyisége %-ban |
| |||
A felső sorban a kémiai összetétel van feltüntetve. A diagram alakját befolyásolja az ausztenitesítés hőmérséklete a felhevítés sebessége és a hőntartási idő is. |
| |||
![]() | ![]() A diagramokat tájékoztatásul közöljük, nem képezik a számonkérés anyagát! | |||
Folyamatos hűtésre érvényes átalakulási diagramok | ||||
A gyakorlatban a lehűtés ritkán izotermikus, leggyakrabban folyamatos, ezért szükséges meghatározni, a folyamatos lehűlésre érvényes átalakulási diagramokat is. | ||||
Folyamatos hűtés közben az ausztenit ugyanazokká a szövetelemekké, tehát perlitté, bainitté, és martenzitté alakul. Az átalakulások kezdő és befejező pontjait különböző lehűlési sebességek mellett veszik fel, általában programozható dilatométerek segítségével, ahol az átalakulásra a fajtérfogat megváltozásának mérése alapján következtethetünk. | ||||
A különböző lehűlési sebességek mellett meghatározott átalakulás kezdő és befejező pontjait ebben az esetben is a hőmérséklet logaritmus idő koordináta rendszerben ábrázoljuk. A diagram alakja hasonló az izotermikuséhoz, a különbség abban van, hogy átalakulás csak ausztenitből lehetséges, ezért bizonyos vonalak elvesztik értelmüket. | ||||
| ||||
![]() | ![]() Az ábrába berajzoltuk a felső és az alsó kritikus lehűlési sebességet. A vfkrit azt jelenti, hogy ennél gyorsabban hűtve az ausztenit martenzitté alakul, míg az alsó kritikus lehűlési sebesség azt mutatja, hogy ennél lassabban hűtve az ausztenit átalakulása a C tartalomtól függően ferrit perlitté alakulva fejeződik be. | |||
Az acélok folyamatos átalakulási diagramjait is mérésekkel veszik fel és szintén szakkönyvekben, hőkezelési atlaszokban publikálják. | ||||
A görbén minden esetben fel kell tüntetni az adott acél pontos összetételét. Az atlaszokban feltüntetik az ausztenitesítés hőmérsékletét és a hőntartás idejét. Ezek az ausztenit szemcsenagyságát befolyásolják, ami a vonalak helyzetét kismértékben befolyásolja. |
| |||
A folyamatos lehűlésre érvényes diagramot csak folyamatos lehűlési sebességek mentén lehet értelmezni! | ||||
A folyamatos lehűlésre érvényes átalakulási diagramok a hőkezelés fontos segédeszközei. | ||||
|
Ellenőrző kérdések | |||||||||||||||||||||||||||||||
Jelölje meg az egy helyes választ! | |||||||||||||||||||||||||||||||
1. Mi jellemzi az ausztenit perlites átalakulását?
![]() | |||||||||||||||||||||||||||||||
2. Mi jellemzi az ausztenit bainites átalakulását?
![]() | |||||||||||||||||||||||||||||||
3. Mi a feltétele az ausztenit martenzites átalakulásának?
![]() | |||||||||||||||||||||||||||||||
4. Vizsgálja meg az alábbi állítást! Az ausztenit egyensúlyitól eltérő átalakulásai diffúziót igényelnek, ezért csak izotermikus körülmények között jöhetnek létre.
![]() | |||||||||||||||||||||||||||||||
5. Vizsgálja meg az alábbi állítás és indoklás helyességét! Adott összetételű acél esetében a proeutektoidos ferrit mennyisége a lehűlési sebesség növelésével csökken.
![]() | |||||||||||||||||||||||||||||||
6. Mi jellemzi a martensites átalakulást?
![]() | |||||||||||||||||||||||||||||||
7. Vizsgálja meg a feltüntetett állításokat. Jelölje be a 7 helyes választ!
![]() |