STRUKTURA I SVOJSTVA MATERIJALA

FAZNE PRETVORBE U VRSTOM RASTVORU

Prof. dr. sc. Ivica Kladari

OPI ZAKONI FAZNIH PRETVORBI U VRSTOM STANJU

Fazne se pretvorbe u vrstom stanju mogu shvatiti ako se primijene glavni stavci termodinamike i to preko HELMHOLTZOVE slobodne energije.

E = U TS

gdje je: E Helmholtzova slobodna energijaU unutranja energijaT termodinamika temperaturaS entropija.

Iz termodinamikih je zakona poznato da e svi procesi koji se spontano odvijaju u nekom sustavu pri konstantnoj temperaturi teiti dovoenju sustava u stanje minimalne slobodne energije (stanje ravnotee) .

Ravnotea moe da bude stabilna ili metastabilna.

Sustav se nalazi u stabilnoj ravnotei kada je njegova slobodna energija minimalna i u skladu s vanjskim uvjetima, dok metastabilna ravnotea vrijedi kada je slobodna energija minimalna, ali je vea od vrijednosti za stabilnu ravnoteu.Svaka preraspodjela atoma u sustavu iz jedne metastabilne konfiguracije u drugu naziva se transformacija ili pretvorba.

OPI ZAKONI FAZNIH PRETVORBI U VRSTOM STANJUIz izraza E = U TS vidljivo je da e se iznos slobodne energije sniavati porastom temperature, pa e tako za neki eutektoidni elik vrijediti dijagram:

, oC

E

perlitmartenzit

austenit

Shematski prikaz pretvorbi eutektoidnog elika

Dijagram na slici odgovara na pitanja:- zato uope u zadanim uvjetima struktura mijenja oblik,- zato u svrhu austenitiziranja eutektoidni elika treba ugrijati do temperature iznad A1,- zato martenzit ne nastaje neposredno od perlita, - zato austenit treba pothladiti ako se eli postii martenzitna struktura kaljenja,- zato martenzit moe nastati samo pretvorbom austenita.

Presjecita krivulja pokazuju uvjete u kojima su dvije faze u ravnotei.

Ms A1

Normalizacija A PNK

Kaljenje A MPoputanje M P(sferoidiziranje)

P

Austenitiziranje P AA

Kinetiku strukturnih transformacija u vrstom stanju diktiraju openito brzina nukleacije transformirane faze (N) te brzina rasta njezina zrna (G).

Shematski prikaz kinetike transformacije (gore), te promjene brzine transformacije (dolje) pri

ugrijavanju

Toka a: sporo odvijanje transformacije zbog malog broja klica (N)

Toka b: sporo odvijanje transformacije, jer se veina novih zrna sudarila sa susjednima.

Oblik kinetike krivulje ugrijavanja bitno ovisi o visini .

OPI ZAKONI FAZNIH PRETVORBI U VRSTOM STANJU

Osnovna razlika u kinetici pretvorbe (transformacije) su:- pri ugrijavanju nastupa povienje intenzivnosti difuzije- pri ohlaivanju dolazi do snienje intenzivnosti difuzije

(tzv. preklopnih transformacija).

Nastajanje austenita pri ugrijavanjuPojam austenitizacije podrazumijeva dovoenje eljeznih legura (elika i ljevova) ugrijavanjem u podruje jednofaznog ili viefaznog austenita.

Legure Fe-C s

Temperatura austenitizacije (a)Maksimalna a ne treba prekoraiti temperaturu potrebnu da se postigne traeni stupanj otapanja karbida odnosno homogenizacija austenita.

0,8 2,03 %C

perlit + Fe C' ' ' + perlit

723 A

ferit

+ '

A 911

G

, C

normalizacija

kaljenje

E

Ac

+ Fe C' ' m

3

S 1

3

o

3

Dijagram Fe-Fe3C s ucrtanim poljima optimalnih temperatura kaljenja

odnosno normalizacije

Razlozi zbog kojih treba a drati to je mogue niom jesu:- poveana tendencija pojave deformacija i pukotina s viom a- poveana tendencija oksidaciji i razugljienju s viom a- poveani rast zrna strukture pri viim a.

Otapanje strukturnih faza u austenitu

Fe-Fe3C dijagram pri brzom ugrijavanju ne moe posluiti za odreivanje a jer on vrijedi za ravnotene uvjete (vugr0 tugr ).

Npr. Fe3Cid otapa se posljednji, a ne prvi, kako bi to slijedilo iz Fe-Fe3C dijagrama.

Ugrijavanje velikim brzinama pomie transformacijske temperature u vie temp. podruje i mijenja se redoslijed otapanja faza.

Za austenitizaciju elika u neravnotenim uvjetima ugrijavanja slue TTS dijagrami otapanja strukturnih faza (Time-Temperature-Solution) koji uzimaju u obzir trajanje ugrijavanja.

Dijagram otapanja potrebno je snimiti za svaku aru elika.

Otapanje strukturnih faza u austenituIzotermiki dijagram TTSOvaj dijagrama daje odgovore zato u postupku grijanja treba ukljuiti i trajanje dranja nakon progrijavanja.

F+P

Izotermiki dijagram TTS ugljinog elika s 0,7 %C

Na dijagramu je prikazano otapanje strukturnih faza u izotermnim uvjetima za nelegirani elik s 0,7 %C (F+P).

najprije se otapa perlitni ferit, zatim primarni ferit, nakon duljeg dranja perlitni karbid.

Uz vii %C u eliku, otapanje traje krae. Trajanja otapanja rastu s poveanjem udjela Le, pogotovo karbidotvoraca.

Austenitizacija konstrukcijskih elika odvija se u jednofaznom austenitnom podruju, a kod alatnih (nadeutektoidnih) elika veinom u dvofaznom podruju austenit + karbid.

Otapanje strukturnih faza u austenituDijagram TTS za kontinuirano ugrijavanjeIz ovog dijagrama vidljivo je da kod elika porastom brzine ugrijavanja rastu temperature poetka pretvorbi (Ac1 i Ac3).

Za niskolegirane podeutektoidne i eutektoidne ugljine elike kod brzina ugrijavanja izmeu 10 K/s i 1000 K/s povienje temperature pretvorbe u odnosu na ravnotenu temperaturu A1 iznosi:

gdje je: a - faktor ovisan o disperziji karbidav - brzina ugrijavanja u K/s

Dijagram TTS za kontinuirano ugrijavanje elika s 0,7 %C

T = a + 25 log v

Rast austenitnog zrna pri ugrijavanjuPrelaskom kritine temperature Ac3 pri ugrijavanju zavrava pretvorba perlita i ferita u novu razmjerno sitnozrnatu strukturu austenita.

Na rast zrna utjeu:- temperatura austenitizacije;- trajanje austenitizacije;- sastav i nain dobivanja elika.

Pri daljnjem ugrijavanju i dranju na temperaturi austenitizacije austenitna zrna dalje rastu.

Rast zrna treba shvatiti kao sjedinjavanje nekoliko susjednih austenitnih zrna u jedno.

Ako je austenitizacijom stvorena grubozrnata austenitna struktura, nakon kaljenja dobit e se takoer gruboigliasti martenzit, odnosno nakon polaganog hlaenja odgovarajua grubozrnata struktura ferita i/ili eutektoida.

elik s grubim zrnom ima niu vrstou, slabiju udarnu ilavost i veu sklonost krhkom lomu, pa je u veini sluajeva u toplinskoj obradbi nepoeljan, tj. tei se sitnozrnatoj strukturi.

Pothlaenje austenitaVe pri toplinskoj analizi istog Fe utvrdilo se postojanje histereze pri pretvorbi u odnosu na pretvorbu (13oC), iako je i ugrijavanje i ohlaivanje tada bilo vrlo sporo.Budui se snienjem temperature sniava i pokretljivost ugljinih, eljeznih i eventualno legirajuih atoma, to e se i nastale pretvorbene strukture razlikovati po obliku, veliini i rasporedu, to e uzrokovati i razliitost svojstava.Utjecaj vohl na snienje temp. pretvorbe nelegiranog podeutektoidnog elika

Perlit, sorbit i troostit strukturni oblici pravih eljezno-karbidnih eutektoida (mjerljiva difuzija Fe i C atoma)Bainit strukturni oblik nepravih eutektoida (ograniena difuzija C atoma i potpuni izostanak difuzije Fe atoma)

Martenzit strukturni oblik nastao preklopnim mehanizmom (potpuni izostanak difuzije C i Fe atoma)

Transformacija austenita u perlit (i ferit) (AP)Ovu transformaciju karakterizira stvaranje klica i difuzija.to je vee pothlaenje to je raspored C u Fe-masi jednoliniji, tj. lamele su cementita sve ue , a razmak meu njima sve manji.

Znaajke strukturnih oblika PERLITNOG stupnja

Nazivoblika

PothlaenjeT, K

irina Fe3Clamela, m

Razmak Fe3Clamela, m

TvrdoaHV

Perlit do 50 0,4 0,6 0,7 200

Sorbit 150 0,25 0,35 0,25 250 300

Troostit 220 0,1 0,2 0,1 400

Transformacija austenita u perlit (i ferit) (AP)

Oblici izluenog cementita mogu biti:- mreasti, izluen po granicama perlitnih zrna, ako se nadeutektoidni elik

sporo hladi iz monofaznog austenitnog podruja ili ako se proizvoljno ohlauje iz bifaznog podruja (A + Fe3C), kada zapravo ostaje nepromijenjen

- igliasti, ako se visokougljini elik osrednje brzo ohladi s vrlo visoke temperature iz podruja monofaznog austenita.

Ovisno o sastavu elika i intenzivnosti hlaenja austenit e se transformirati:- u podeutektoidnim elicima u primarni ferit i perlit,- u nadeutektoidnim elicima, hlaenjem iz bifaznog podruja A+K,

austenit e se pretvoriti u perlit, a karbidi e ostati nepromijenjeni,- u nadeutektoidnim elicima, hlaenim iz podruja monofaznog

austenita, nastat e smjesa perlita i sekundarnih karbida.Oblici izluenog primarnog ferita mogu biti:- masivni ferit u niskougljinim elicima,- ferit po granicama zrna perlita pojavljuje se kod vieugljinih

podeutektoidnih elika sporo ohlaenih s temperature austenitiziranja,- Widmannstttenova struktura nastaje brzim hlaenjem

srednje-ugljinog elika s visoke temperature austenitiziranja.

Transformacija austenita u bainit (AB)

Pri temperaturama izmeu 500 i 400oC jo difundiraju atomi C osiromauju djelomino austenit transformira se u ferit izlueni C stvara karbide po granicama i u unutranjosti prezasienog ferita.

100% Aizotermiko dranje

A

100% B

Izotermiki dijagram TTT elika 4732

nastaje gornji bainit.Pri izotermama izmeu 500 i 400 oC

nastanak gornjeg bainita

Pothlaenjem austenita na neku temperaturu izmeu tjemena krivulje TTT i temperature Ms(obino izmeu 500 i 350 oC) te izotermiko dranje dovest e do transformacije austenit u bainit.

Transformacija austenita u bainit (AB)

100% Aizotermiko dranje

A

100% B

Izotermiki dijagram TTT elika 4732

Pri izotermama ispod 400 oC nastaje donji bainit.

nastanak donjeg bainita

Pri temperaturama ispod 400 oC dolazi gotovo do zakoenja difuzije C Feritne iglice sadre u unutranjosti sitne precipitatne karbide (tzv. -karbidi Fe2,4C) Po granicama zrna nema tih karbida.

Transformacija austenita u bainit (AB)1600

1400

1200

1000

800

600

400

200

40

30

20

10

0

, N/mm

45 4035 30 25 20 15 10

H RC

pothla| enje T, K

A , Z , %

R

H RC

R

bainit

gornji donji

Z

A

723

m

p0,2

perlit

2

o Pothlaenje T, K723oC

Rm

Rp0,2

HRC

Z

A

perlit bainit

gornji donji

Postignuta mehanika svojstva eutektoidnog elika (izotermika obradba) ovisno o stupnju pothlaenja ispod 723oC

Transformacija austenita u martenzit (AM)

Povienjem brzine hlaenja do donje kritine brzine nastaje preklopna transformacija

Sporim ohlaivanjem A omoguena difuzija

stvara se martenzit.

Povienjem brzine ohlaivanja A potiskuje se difuzija sve jae pothlaenje austenita.

Shematski prikaz nastanka martenzita od austenita:

a

a

a

FeC

C - atom intersticijski rastvoren u sastavu -reetke na nekoj >A1.

naglim hlaenjem

aM

cM

cM

C - atom prisilno otopljen u sustavu -reetke.

stvara se ferit i cementit.

Konstante reetke: a=0,287 nma=0,365 nmaM= acM> aM (ovisno o %C)

Reetka martenzita je tetragonski istegnuta.

VM > VF

Ca

c

M

M %046,01 +=

omjer cM/aM >1 stupanj tetragonalnosti

Temperatura poetka stvaranja martenzita oznaava se s Ms, a zavretka sa Mf.

Pretvorba austenita u martenzit (AM)

Temperaturno podruje stvaranja martenzita ugljinih elika

Tvrdoa martenzita ovisna o %C u eliku____ gaen iz bifaznog podruja------ gaen iz monofazng podruja

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 %C

, oC

500-

400-

300-

200-

100-

0-

-100-

Ap Ap+K

20-

Ap+M Ap+K+M

MsM

MfAz+K+M

HV900 800 700 600 500 400 300 200 I I I I I I I I

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 %C

Az+K+M

Az+M

Martenzit elika s 0,45 %C, gaeno s 900oC u vodiuveanje 500:1

Martenzit i zaostali austenit elika s 1,6 %C, gaeno s 1100oC u vodi

uveanje 500:1

U visokougljinim elicima stvara se igliasti martenzit (ploice leastog poprenog presjeka).Mikrostruktura martenzitno gaenih legura

iglica rebro

Shematski izgled igliastog martenzita

zaostali austenit

Uz visoku tvrdou ovu vrstu martenzita karakterizira i visoka krhkost koju e trebati ublaiti snienjem stupnja tetragonalnosti u postupku poputanja.

A A M M A M A

> M M

< M < M (ali > M ) A

z

s s s s f

Shematski prikaz nastajanja iglica visokougljinog martenzita

U niskougljinim elicima (s

Obje vrste martenzita nastaju atermiki (samo padom tempere).Kinetika transformacije AM

Svaki prekid ohlaivanja izmeu Ms i Mf izazvat e stabilizaciju jo nepretvorenog austenita, a posljedica je toga da se niti pri Mf nee sav austenit transformirati u martenzit.

%M %A

,oC

100

MsMf

%

0

Opa kinetika krivulja atermikog nastanka martenzita

Prikaz djelovanja prekida hlaenja pri temperaturi z

%M %A

,oC

100

MsMf

%

0zMs