1

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Obróbka cieplna

stopów żelaza z węglem

2

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Obróbka cieplna

Jest to zespół zabiegów cieplnych mających na celu

zmianę mikrostruktury stopu w stanie stałym

(budowa fazowa, morfologia faz, kształt i rozmiar ziarn itp.),
a przez to nadanie mu pożądanych właściwości
mechanicznych, fizycznych lub chemicznych.

nagrzewanie

wygrzewanie

t

ττττ

chłodzenie

3

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Obróbka cieplna

⇒

⇒

⇒

⇒

obróbka cieplna zwykła, np. wyżarzanie, hartowanie,
odpuszczanie, utwardzanie wydzieleniowe itp.,

Podstawą większości rodzajów obróbki cieplnej są

przemiany

fazowe

zachodzące w stopie w stanie stałym.

⇒

⇒

⇒

⇒

obróbka cieplno-chemiczna, np. nawęglanie, azotowanie,
nasiarczanie itp.,

⇒

⇒

⇒

⇒

obróbka cieplno-plastyczna,

⇒

⇒

⇒

⇒

obróbka cieplno-magnetyczna;

4

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiana fazowa

Przemianą fazową nazywamy samorzutną zmianę stanu
układu termodynamicznego, wywołaną przez zmianę
warunków zewnętrznych (np. temp., ciśn. lub pola magn.),
w wyniku której pojawia się w układzie nowa faza.

Siłą napędową przemiany fazowej jest różnica między
wartością energii swobodnej fazy powstającej i fazy
wyjściowej (∆G).

G

T

woda

lód

0°C

krzepnięcie

topnienie

5

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiany fazowe w stopach Fe-C

I

przemiana perlit → austenit podczas nagrzewania,

II dyfuzyjna przemiana austenitu podczas chłodzenia,
III bezdyfuzyjna przemiana austenitu podczas chłodzenia,
IV rozkład martenzytu podczas odpuszczania;

G

T

martenzyt

perlit

austenit

M

s

A

1

IV

III

II

I

6

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiana perlit→

→

→

→austenit

⇒

⇒

⇒

⇒

zarodkowanie austenitu zachodzi na granicach międzyfa-
zowych ferryt-cementyt (ma charakter heterogeniczny),

⇒

⇒

⇒

⇒

dlatego w wyniku tej przemiany zawsze następuje
rozdrobnienie ziarn w stali (wyżarzanie normalizujące),

7

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiana perlit→

→

→

→austenit

⇒

⇒

⇒

⇒

szybkość przemiany zależy od:

→

→

→

→ przegrzania powyżej A

1

,

→

→

→

→ grubości płytek ferrytu i cementytu w perlicie,

⇒

⇒

⇒

⇒

rozrost ziarn austenitu – stal grubo- i drobnoziarnista;

8

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiana austenit→

→

→

→perlit

⇒

⇒

⇒

⇒

zarodkowanie perlitu ma charakter heterogeniczny
i zachodzi na granicach ziarn austenitu i nie rozpuszczonych
wydzieleń cementytu lub ferrytu,

9

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiana austenit→

→

→

→perlit

⇒

⇒

⇒

⇒

zarodkowaniu perlitu sprzyja zmniejszenie rozmiaru ziarn
austenitu i zwiększenie jego niejednorodności chemicznej,

10

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiana austenit→

→

→

→perlit

⇒

⇒

⇒

⇒

temperatura przemiany – morfologia perlitu;

⇒

⇒

⇒

⇒

twardość perlitu: 15-40 HRC (220-500 HB);

11

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiana martenzytyczna

Martenzyt – jest to przesycony roztwór węgla w żelazie α

⇒

⇒

⇒

⇒

przemiana martenzytyczna jest podstawą obróbki cieplnej
nazywanej

hartowaniem

;

⇒

⇒

⇒

⇒

w wyniku bezdyfuzyjnej przemiany martenzytycznej
z austenitu powstaje faza metastabilna →

martenzyt

;

⇒

⇒

⇒

⇒

podczas przemiany następuje zmiana struktury krystalicznej:
A1 → A2, bez zmiany stężenia węgla w roztworze

;

12

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiana martenzytyczna

⇒

⇒

⇒

⇒

chłodzenie z szybkością większą od krytycznej (uniknięcie
przemiany dyfuzyjnej),

⇒

⇒

⇒

⇒

rozpoczyna się w temperaturze M

s

(martensite start), której

wartość nie zależy od szybkości chłodzenia,

Warunki i cechy przemiany:

⇒

⇒

⇒

⇒

przemiana przebiega przy ciągłym obniżaniu temperatury
w zakresie M

s

- M

f

(martensite finish),

⇒

⇒

⇒

⇒

szybkość wzrostu kryształów martenzytu jest duża
(10

4

-10

5

cm/s) i nie zależy od temperatury,

⇒

⇒

⇒

⇒

zależność Kurdiumowa-Sachsa:
(101)

M

|| (111)

A

i [111]

M

|| [101]

A

,

13

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Struktura martenzytu

⇒

⇒

⇒

⇒

martenzyt ma strukturę tetragonalną; wartość c/a zwiększa
się ze wzrostem przesycenia węglem,

⇒

⇒

⇒

⇒

ziarna martenzytu cechuje duża gęstość dyslokacji,
bliźniaków lub błędów ułożenia;

⇒

⇒

⇒

⇒

twardość martenzytu zwiększa się ze wzrostem przesycenia
węglem;

14

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Austenit szczątkowy

⇒

⇒

⇒

⇒

austenit szczątkowy powoduje:

→

→

→

→ obniżenie wytrzymałości, twardości,

→

→

→

→ zwiększenie odporności na ścieranie,

→

→

→

→ zmniejszenie skłonności do kruchego pękania;

→

→

→

→ zmniejszenie odporności na korozję,

15

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiana bainityczna

bainit górny

bainit dolny

⇒

⇒

⇒

⇒

wykazuje pewne cechy przemian dyfuzyjnych
i martenzytycznych;

⇒

⇒

⇒

⇒

zakres temperatury przemiany ∼500°C > t > M

s

;

⇒

⇒

⇒

⇒

bainit

jest mieszaniną ferrytu przesyconego węglem

i węglików;

16

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Przemiana bainityczna

⇒

⇒

⇒

⇒

zawartość węgla w ferrycie bainitycznym rośnie
z obniżeniem temperatury, przy której tworzy się bainit;

bainit górny – 40-50HRC

bainit dolny – 50-58HRC

⇒

⇒

⇒

⇒

przemiana bainityczna jest podstawą hartowania
izotermicznego (bainitycznego);

17

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Hartowanie

18

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Wykresy CTP

t

1

> t

2

> t

3

> t

4

> t

5

> t

6

19

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Wykres CTP

i

austenit

perlit
grubopłytkowy

perlit
drobnopłytkowy

ferryt

Czas, s

T

e

m

p

e

ra

tu

ra

,

°C

A

1

doba

przemiana

austenit→perlit

20

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Wykres CTP

i

austenit

bainit górny

perlit drobnopłytkowy

Czas, s

perlit grubopłytkowy

bainit dolny

γγγγ

α

α

α

α+γγγγ

α

α

α

α+Fe

3

C

21

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Wykres CTP

i

i CTP

c

CTP

i

– w warunkach

izotermicznych

CTP

c

– w warunkach

chłodzenia ciągłego

22

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Hartowanie

a – zwykłe
b – przerywane
c – stopniowe
d – izotermiczne

23

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Hartowanie

Krzywe chłodzenia:

1 – na powierzchni
2 – w osi przekroju
3 – z szybkością krytyczną

24

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Odpuszczanie martenzytu

⇒

⇒

⇒

⇒

martenzyt jest wytrzymały, ale kruchy,

⇒

⇒

⇒

⇒

odpuszczanie

– wyżarzanie zahartowanej stali

w temperaturze niższej od A

1

w celu wydzielenia węgla

z roztworu przesyconego i zwiększenia ciągliwości stali;

⇒

⇒

⇒

⇒

80-200°C,

⇒

⇒

⇒

⇒

170-300°C,

⇒

⇒

⇒

⇒

290-400°C,

⇒

⇒

⇒

⇒

> 400°C

25

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Odpuszczanie martenzytu

26

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Odpuszczanie martenzytu

⇒

⇒

⇒

⇒

niskie – 100-250°C – stosowane zwykle do narzędzi
pracujących na zimno (martenzyt odpuszczony),

Rodzaje odpuszczania:

⇒

⇒

⇒

⇒

ulepszanie cieplne

– obróbka cieplna złożona z hartowania

i wysokiego (lub średniego) odpuszczania;

⇒

⇒

⇒

⇒ ś

rednie – 250-450°C – stosowane do narzędzi pracujących

w warunkach udarowych, stali sprężynowej itp.,

⇒

⇒

⇒

⇒

wysokie – 450-650°C – stosowane z reguły do elementów
maszyn;

27

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Ulepszanie cieplne

⇒

⇒

⇒

⇒

sorbit

– mikrostruktura złożona z kulistych cząstek Fe

3

C

w osnowie ferrytu powstająca w wyniku odpuszczania
w zakresie temperatury 500-600°C (twardość 350-400HB);

28

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Wyżarzanie

29

Obróbka cieplna stopów Fe-C

Wyżarzanie sferoidyzujące

minimalna twardość przy niezmienionym składzie fazowym
(inna nazwa – wyżarzanie zmiękczające);