Podstawowe przemiany w stalach

Przemiana perlitu w austenit:

Można ją rozważać w trzech etapach:

• utworzenie austenitu niejednorodnego,
• utworzenie austenitu jednorodnego,
• rozrost ziarn austenitu.

Zarodkowanie austenitu następuje na drodze heterogenicznej, na granicach międzyfazowych ferryt – cementyt, a więc jest tym bardziej efektywne, im większa jest powierzchnia granic międzyfazowych (dyspersja perlitu). Szybkość przemiany zależy od stopnia nagrzania perlitu powyżej temperatury A1 oraz od struktury perlitu (szybciej zachodzi w drobnopłytkowym).

Rozrost ziarn austenitu:

Po zakończeniu przemiany perlitu w austenit dalszy wzrost temperatury oraz czasu powoduje rozrost wielkości ziarna. Chłodzenie drobnoziarnistego austenitu daje strukturę małych kolonii perlitu, natomiast z austenitu gruboziarnistego powstaje perlit gruboziarnisty. Skłonność do rozrostu ziarn zależy od rodzaju stali. Głównym czynnikiem hamującym rozrost ziarna są dyspersyjne cząstki obcych faz.

Dyfuzyjna przemiana austenitu:

W zakresie powyżej temperatury maksymalnego zarodkowania istnieje zakres przemiany perlitycznej a poniżej niej bainitycznej. Temperatura graniczna oddzielająca te zakresy odpowiada przechłodzeniu ok. 200 [ºC] poniżej A₁. Początkowo przemiana nie zachodzi – jest to tzw. okres inkubacyjny. Okres ten skraca się w miarę wzrostu przechłodzenia i jest minimalny w temperaturze maksymalnej szybkości zarodkowania. Następnie szybkość przemiany stopniowo wzrasta osiągając największą wartość po przemianie 50 [%] austenitu, po czym znowu stopniowo maleje.

Przemiana perlityczna:

Przemiana ta jest dyfuzyjna tzn., że do rozpoczęcia przebiegu jej konieczne jest przegrupowanie atomów C i Fe drogą dyfuzji. Po ochłodzeniu austenitu poniżej temp. A_r1 zaczynają powstawać zarodki perlitu na drodze heterogenicznej. Zarodkami mogą być nie rozpuszczone całkowicie cząstki cementytu lub drobne wydzielenia cementytu, które powstają na granicach ziarn austenitu. Prędkość przemiany perlitycznej zależy od szybkości zarodkowania kolonii perlitycznych. Kinetyka zarodkowania zależy od struktury austenitu (wielkości ziarna ) i jego jednorodności.

Zarodkowanie perlitu:

Podczas ochładzania austenitu poniżej temperatury A_c1, jeżeli temperatura i skład zmieszczą się w obszarze pomiędzy ekstrapolowanymi krzywymi A_C3 i A_cm

to może się on przemieniać w perlit. Na lewo od tego obszaru przemianę perlityczną poprzedza wydzielanie się ferrytu, które trwa dotąd dopóki węgiel wypychany przez rosnący ferryt nie przesunie lokalnego składu austenitu w prawo od ekstrapolowanej linii A_cm. Z prawej strony obszaru perlitycznego przemiana poprzedzana jest wydzielaniem się cementytu. W obszarze zakreskowanym (rys. wyżej) austenit „przesycony” jest równocześnie względem ferrytu i cementytu, występuje więc analogiczny do zakresu eutektycznego zakres eutektoidalny.

Położenie krzywych energii swobodnej faz przy temperaturze T

Dwie wspólne styczne określają składy faz α – γ oraz γ- Fe₃C w równowadze metastabilnej. Styczna do krzywej energii swobodnej austenitu, poprowadzona w punkcie wybranego składu stopu x, pozwala znaleźć siłę pędną ΔG_v dla zarodkowania ferrytu i cementytu. Styczna ta waha się względem „spodu” krzywej, gdy zmienia się wyjściowy skład austenitu. Zmniejszenie się zawartości węgla w austenicie ruch (punkt x w lewo) podnosi siłę pędną zarodkowania ferrytu i obniża cementytu; wzrost zawartości węgla wywiera efekt przeciwny. Zakładamy, że na granicy ziarm austenitu pierwszy pojawi się zarodek cementytu.

Rosnąca cząstka ferrytu wypychała będzie węgiel do austenitu, gdzie lokalnie znów wzrośnie jego zawartość, co może spowodować powstanie z boku nowego zarodka cementytu. Wynika z tego, że perlit powinien charakteryzować się bocznym zarodkowaniem płytek i ich krawędziowym wzrostem. Kolejne płytki pojawiają się w następstwie lokalnych zmian składu austenitu, powodujących wahanie się stycznej względem spodu krzywej G_γ

Prędkość zarodkowania perlitu zmienia się z czasem. Jeżeli przyjmiemy że węglik jest fazą inicjującą przemianę, wówczas ferryt zarodkuje na powierzchni międzyfazowej austetnit – cementyt. Każdorazowo gdy po węgliku powstaje cząstka ferrytu, tworzy się zarodek perlitu. W miarę upływu czasu rośnie liczba cząstek przy których zarodkować może ferryt.

Równocześnie poszczególne cząstki cementytu rosną, powiększając powierzchnię międzyfazową austenit – cementyt, przypadającą na każdą cząstkę. A więc w miarę upływu czasu rośnie liczba miejsc, w których zarodkować może ferryt i tym samym rośnie prędkość zarodkowania perlitu. Kolejność zdarzeń ukazuje schemat:

Przemiana bainityczna:

Zachodzi w stalach węglowych poniżej temperatury najmniejszej trwałości austenitu. Rozpoczyna się od utworzenia zarodków ferrytu, które powstają na granicach ziarn austenitu. Z ferrytu tego wydzielają się bardzo drobne cząstki węglików. Przemiana bainityczna zaczyna się po ochłodzeniu austenitu do określonej temperatury B_S i kończy w temp. B_F. Między tymi temperaturami przemiana nie zachodzi do końca, gdyż pozostały austenit ulega po ochłodzeniu przemianie w martenzyt. Cechy morfologiczne bainitu różnią się od perlitu. Bainit górny jest pierzasty a dolny iglasty.

Przemiana martenzytyczna (bezdyfuzyjna przemiana austenitu):

Martenzytem nazywamy przesycony roztwór stały węgla w Feα. W układzie Fe-C przemiana martenzytyczna przebiega tylko w jednym kierunku, podczas gdy w wielu innych stopach jest odwracalna. Warunkiem powstawania martenzytu jest chłodzenie austenitu z taką prędkością, aby nie uległ on wcześniej przemianie w perlit lub bainit.

Drugim warunkiem rozpoczęcia przemiany jest ochłodzenie austenitu poniżej temperatury początku przemiany M_S. Jest ona stała dla konkretnej stali i niezależna od szybkości chłodzenia. Warunkiem dalszego przebiegu przemiany jest obniżenie temperatury.

Przyczyną nieukończenia przemiany jest znaczny wzrost objętości martenzytu w porównaniu z austenitem. Austenit szczątkowy nie jest jednoznacznie fazą szkodliwą, gdyż zwiększa odporność na ścieranie i powierzchniową wytrzymałość zmęczeniową oraz zmniejsza skłonność do kruchego pękania. Z punktu widzenia morfologii struktury martenzytu można sklasyfikować w dwóch podstawowych grupach:

• martenzyt listwowy – cechuje się równoległym listwowym kształtem kryształów oddzielonych granicami małego kąta i między listwami brak jest austenitu szczątkowego;
• martenzyt płytkowy – składa się z płytek w kształcie soczewek o różnych wielkościach oddzielonych nie przemienionym austenitem.

Rozkład martenzytu (przy odpuszczaniu):

Jest to główna i najistotniejsza przemiana zachodząca w zahartowanej stali. Zachodzi ona w temperaturze nieco niższej od A₁ w czasie koniecznym do jej zajścia i polega na rozkładzie martenzytu na mieszaninę faz złożoną z ferrytu i węglików. Podczas nagrzewania zahartowanej stali zachodzi również przemiana austenitu szczątkowego oraz przemiana węglika ε w cementyt.