Zagadnienia wybrane:

martenzyt, przemiana martenzytowi, hartowanie, odpuszczanie

Martenzyt jest formą stopu żelaza i węgla powstała przez rozpad austenitu przy jego szybkim schładzaniu tak, by nie było czasu na jego naturalną przemianę na ferryt i cementyt. Temperatura początku i końca przemiany martenzytycznej w dużym stopniu zależy od zawartości węgla w stopie.

Martenzyt ma strukturę iglastą. Ziarna obserwowane pod mikroskopem na zgładzie mają kształt igieł przecinających się pod kątem 60° i 120°. W rzeczywistości martenzyt posiada strukturę listwową lub płytkową. Listwy występują najczęściej w postaci pakietów składających się z wielu listew. Martenzyt jest fazą bardzo twardą i kruchą, powstaje w czasie hartowania stali.

Rys. 1. Wykres temperatury początku (Ms) i końca (Mf) przemiany martenzytycznej w zależności od zawartości węgla

Własności martenzytu:

Struktura stali zahartowanej znacznie różni się od struktury równowagowej. Martenzyt jest przesyconym roztworem stałym o bardzo dużym rozdrobnieniu (średnia grubość listew lub płytek wynosi ok. 0,1 μm), dużej gęstości dyslokacji, a w przypadku martenzytu zbliźniaczonego równie o dużej gęstości bliźniaków przemiany. Martenzyt węglowy ma strukturę tetragonalną, powstałą przez zniekształcenie komórki sieci A2 obecnością atomów węgla w lukach oktaedrycznych. Tetragonalność martenzytu i jego twardość zależy od zawartości w nim węgla. Twardość martenzytu w stalach może dochodzić do 65 HRC.

Struktury martenzytyczne ze względu na morfologie można wyróżnić martenzyt listwowy i płytkowy.

Martenzyt listwowy cechuje się tym, że kryształy martenzytu mają kształt listew równoległych do <111>M, o szerokości 0,1-3μm. Są one oddzielone granicami małego kąta i między listwami brak jest austenitu szczątkowego, jego struktura odznacza się dużą gęstością dyslokacji.

Martenzyt płytkowy tworzy się jedynie w niektórych stopach żelaza, składa się zwykle z płytek mających kształt soczewek o różnych wielkościach, oddzielonych nie przemienionym austenitem. W przypadku martenzytu płytkowego odkształcenie nie zmieniające sieci prowadzi do powstania bardzo dużej liczby drobnych (o grubości ok. 5 nm) bliźniaków oraz równie do zwiększenia gęstości dyslokacji.

Podstawowe cechy przemiany martenzytycznej:

faza γ → faza α, bez dyfuzji węgla,

Rys. 2. Przemiana martenzytyczna. Zachodzi podczas szybkiego chłodzenia austenitu (z szybkością większą od szybkości krytycznej)

Siłą napędową przemiany martenzytycznej jest różnica energii swobodnej

pomiędzy austenitem i martenzytem

Warunkami powstawania martenzytu jest:

Nieodwracalność i bezdyfuzyjność tej przemiany polega na polega na przebudowie sieci krystalicznej RSC austenitu na sieć RPC ferrytu. Przemiana ta jest nieodwracalna ponieważ nie da się jej odwrócić

Jednym z najszerzej stosowanych zabiegów obróbki cieplnej stali jest hartowanie. Zgodnie z PN-76/H-01200, w zależności od uzyskiwanych struktur wyróżnia się hartowanie:

W zależności od sposobu chłodzenia rozróżnia się hartowanie martenzytyczne:

Rys. 3. Zakres temperatur hartowania stali

Hartowanie martenzytyczne zwykłe przeprowadza się poprzez ciągłe oziębianie, stali w ośrodku chłodzącym o temperaturze niższej od MS, aż do wyrównania temperatury przedmiotu i ośrodka. Na skutek dużego gradientu temperatur na powierzchni i w rdzeniu występują znaczne naprężenia wewnętrzne.

Hartowanie martenzytyczne stopniowe przeprowadza się w dwóch ośrodkach chłodzących, W pierwszym, o temperaturze nieco wyższej od Ms następuje wyrównanie temperatur powierzchni i rdzenia, drugi natomiast ma na celu przemianę austenitu w martenzyt. Czas przebywania w pierwszym ośrodku powinien być taki, aby nie rozpoczęła się przemiana bainityczna. Dalsze chłodzenie może być przeprowadzane w powietrzu. Otrzymana w ten sposób struktura martenzytyczna charakteryzuje się minimalnymi naprężeniami. Ziarnistość struktury uzależniona jest od temperatury austenityzacji.

Hartowanie martenzytyczne przerywane przeprowadza się w dwóch ośrodkach chłodzących w celu zmniejszenia naprężeń hartowniczych. W pierwszym ośrodku intensywnie odprowadzającym ciepło (woda) następuje ochłodzenie do temperatur poniżej obszaru najmniejszej trwałości austenitu, w drugim natomiast (olej), zachodzi przemiana austenit - martenzyt.

Hartowanie martenzytyczne z podchodzeniem przeprowadza się z zastosowaniem kąpieli pośredniej, o temperaturze nieco wyższej od Ac₁. Tworzy się w ten sposób struktura martenzytyczna, grubo iglasta o niewielkich naprężeniach cieplnych.

Hartowanie bainityczne zwykłe z chłodzeniem ciągłym stosuje się do stali stopowych i przeprowadza się tak samo jak hartowanie zwykłe. Wybrany (zastosowany) sposób chłodzenia ma doprowadzić do przemiany bainitycznej i otrzymania struktury bainityczno-martenzytycznej.

Hartowanie bainityczne izotermiczne przeprowadza się w kąpielach solnych, o temperaturze wyższej od Me. Obrabiany element utrzymuje się w tej temperaturze aż do zakończenia przemiany. W zależności od temperatury obróbki tworzy się bainit dolny lub górny. Ten rodzaj obróbki stosowany jest do patentowania drutu.

Parametry hartowania

Aby uzyskać strukturę martenzytyczną należy spełnić określone warunki:

Zgodnie z układem Fe-Fe3C aby powstała struktura austenityczna, należy ogrzać stal powyżej temperatur Ac3 i Acm. Ogólnie można stwierdzić, że temperatury austenityzowania do hartowania wynoszą:

TH= Ac3 +(20-50) °C

TH= Ac1 +(20-50)OC ~745 - 775°C

W wypadku stali nadeutektoidalnych pełna austenityzacja nie jest konieczna, ponieważ cementyt wtórny posiada większą twardość od martenzytu. Następnym istotnym parametrem hartowania jest czas nagrzewania i wygrzewania, który powinien zapewnić równomierne nagrzanie przedmiotu w całym przekroju.

Czas nagrzewania stali węglowych do zakresu temperatur 800-90C°C można ująć w postaci wzoru:

tn=D₁K₁K₂K₃ [min]

gdzie:

D₁ - wymiar największego przekroju [mm],

K₁ - współczynnik ośrodka nagrzewającego,

K₂ - współczynnik kształtu przedmiotu,

K₃ - współczynnik równomierności nagrzewania.

Tabela 1. Wartości współczynników

Całkowity czas austenityzowania stali węglowych w zakresie 800-900°C wynosi:

ta= tn+ tw = (1,2-1,3)tn [min]

gdzie:

tw - czas wygrzewania = 0,2-0,3 tn.

Tabela 2. Ważniejsze kąpiele hartownicze stali i Ich szybkość chłodzenia

Następnym ważnym czynnikiem procesu hartowania jest szybkość chłodzenia. Powinna ona być co najmniej równa lub większa od szybkości krytycznej. Mniejsza szybkość

chłodzenia powoduje powstanie struktur pośrednich np. martenzytycznobainitycznej, większa natomiast prowadzi do powstania dużych naprężeń wewnętrznych, co może być powodem pęknięć hartowniczych. W praktyce szybkość chłodzenia określa się rodzajem kąpieli hartowniczej oraz jej temperatury. Stale węglowe hartuje się najczęściej w wodzie, wyjątkowo w oleju. Stale stopowe wymagają, łagodniejszych ośrodków hartujących, np. emulsja olejowa lub mydlana w wodzie ewentualnie olej. Intensywność odprowadzenia ciepła można zwiększyć stosując dodatki kwasów, zasad lub soli. Typowe, najczęściej stosowane ośrodki chłodzące podano w tabeli 2., podając szybkości chłodzenia, w obszarze najmniejszej trwałości austenitu (650-500 C) oraz w pobliżu przemiany martenzytycznej (300-200°C).

W wyniku hartowania z szybkością większa, od krytycznej tworzy się struktura martenzytyczna. Jeśli szybkość chłodzenia jest mniejsza od szybkości krytycznej, to powstaje struktura pośrednia; martenzytyczno-bainityczna. W zależności od temperatury przemiany rozróżnia się bainit górny (500-350°C) o twardości 40-45 HRC i bainit dolny (350-Ms), o twardości 45-50 HRC Twardość martenzytu wynosząca 58-63 HRC uzależniona jest od procentowej zawartości węgla w stali. W stalach o zawartości węgla do 0,25% tworzy się martenzyt niskowęglowy o budowie iglasto-pierzastej, posiadający niską twardość i pewną plastyczność. W stalach zawierających 0,25-0,5% węgla. powstaje martenzyt iglasty, o dużej twardości, którego ziarnistość uzależniona jest od temperatury hartowania. Małe przekroczenie temperatury Ac3 pozwala na uzyskanie martenzytu drobno-iglastego, natomiast znaczne przekroczenie daje martenzyt gruboiglasty.

Przy zawartości węgla w stalach ponad 0,5%, na skutek tego, że temperatura Mf przyjmuje wartości poniżej 0°C, tworzy się pewna ilość austenitu szczątkowego, zależna od zawartości węgla,

Stosując dodatkową obróbkę - wymraŜanie, moŜna przedłuŜyć przemianę austenitu

szczątkowego w martenzyt. NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe zbyt długa przerwa między

hartowaniem i wymraŜaniem prowadzi do stabilizacji austenitu, uniemoŜliwiającej dalszą

jego przemianę.

Stale węglowe nadeutektoidalne hartuje się w temperaturach pomiędzy Acm i Ac1, to znaczy z obszaru występowania cementytu wtórnego. W efekcie powstaje struktura martenzytyczno-cementytowa z pewną ilością austenitu szczątkowego. Hartowanie stali podeutektoidalnych z zakresu Ac3 - Ac1 nosi nazwę niezupełnego. Prowadzi ono do powstania struktury martenzytyczno-ferrytycznej, wykazującej pewną plastyczność.

Po hartowaniu w stali tworzy się struktury niestabilne, posiadające znaczną twardość i kruchość. W celu poprawy własności plastycznych stosuje się obróbkę zwaną odpuszczaniem. W zależności od temperatury rozróżnia się odpuszczanie:

Podczas odpuszczania niskiego następuje zmniejszenie tetragonalności martenzytu poprzez przemianę martenzytu tetragonalnego w martenzyt regularny. Powoduje to znaczne zmniejszenie naprężeń wewnętrznych oraz zapoczątkowuje przemiany austenit szczątkowy-martenzyt. Ten rodzaj odpuszczania stosuje się głównie do stali narzędziowych od których wymaga się dużej twardości i minimalnych naprężeń wewnętrznych, powodujących kruchość.

W zakresie temperatur odpuszczania niskiego i średniego wydziela się węglik E(Fe2C), przechodzący następnie w cementyt. Przy wyższych temperaturach zanika struktura iglasta i zaczyna się koagulacja cementytu. Struktura ta nosi nazwę troostytu odpuszczania rzadko stosowana jest w stalach konstrukcyjnych i nie wykazuje dobrych własności plastycznych.

Najkorzystniejsze własności mechaniczne, a mianowicie wysoką wytrzymałość na rozciąganie, przy wysokiej udarności i plastyczności uzyskuje się podczas odpuszczania wysokiego. Tworzy się struktura odpuszczania o wysokim stopniu koagulacji cementytu, zwana sorbitem. Ten rodzaj odpuszczania, ze względu na uzyskiwane bardzo dobre własności mechaniczne, jest najszerzej stosowany.

Obróbka cieplna, składająca się z hartowania i wysokiego odpuszczania, jest najbardziej typowa dla stali konstrukcyjnych, węglowych i stopowych. Nosi ona nazwę ulepszania cieplnego. Niektóre źródła wyróżniają, jako IV zakres odpuszczania (680° - Ac₁ ), wyszarzenie zmiękczające, podczas którego tworzy się struktura równowagowa - sferoidyt, charakteryzująca się większymi skoagulowanymi wydzieleniami cementytu w stosunku do sorbitu. Polskie Normy obróbki tej nie uwzględniają.