Fazne promene u stanju celika

6 FAZNE PROMENE U

VRSTOM STANJU KOD ELIKA

Fazne promene kod elika nastaju zahvaljujui polimorfiji gvodja i opadanju rastvorljivosti ugljenika u gvodju sa padom temperature.

Teorija faznih promena kod metala predstavlja danas jednu od osnovnih oblasti moderne nauke o metalima zasnovane na poznavanju fizike metala, fizike hemije i kristalografije. Bavi se pre svega opisom reakcija pri termikoj obradi metala i le-gura sa rasvetljavanjem uzroka, mehanizama i pogonskih sila ovih reakcija.

Studija faznih promena u vrstom stanju kod metala nema dugu istoriju: poe-tak dosee do godine 1868., kada je bio objavljen rad ernova koji predstavlja je-dan od kamena temeljaca za izuavanje faznih promena. Dalji je razvoj ove disci-pline bio veoma brz; razvoj eksperimentalnih metoda, naroito u poslednje vreme, omoguio je da se umesto opisa reakcija u vrstom stanju, d njihov kvantitativan prikaz.

Difuzione fazne promene poinju grupisanjem atoma, zatim obrazovanjem kli-ca i njihovim daljim rastom (slino kao pri kristalizaciji). Ove promene su rezultat prirodne tenje sistema (u ovom sluaju Fe-C) da svoju slobodnu energiju svede na minimum podoban datoj temperaturi. Ravnotea dveju faza u jednokomponentnom sistemu (npr. tenog i ovrslog gvodja pri konstantnoj temperaturi) uslovljena je jednakou njihovih slobodnih energija, a ravnotea u viekomponentnom sistemu jednakou hemijskih potencijala, tj. prvog izvoda slobodne energije po koncentra-ciji (vidi sl. 4.10, gde G/c pokazuje da je stabilniji sistem austenit-grafit nego sis-tem austenit-cementit).

U celini posmatrano fazne promene se ostvaruju obrazovanjem klica (nukleusa) i rastom klica. Intenzitet ovog kinetikog procesa izraava se brzinom nukleacije (broj novostvorenih klica u jedinici vremena i zapremine poetne faze) i linearnom brzinom rasta (pomeranje granica faza u jedinici vremena). Ukupna brzina prome-ne vp predstavlja zbir brzine nukleacije (vn) i linearne brzine (vr) (sl. 6.1).

Mainski materijali

132

Strukturne promene pri termikoj obradi se ostvaruju u grupi kristala, to znai da e na njihov tok imati uticaj i kristalografski odnosi izmedju poetne i novonas-tale faze.

Uslov za dalji rast klica je da one dostignu kritinu veliinu (vidi sl. 3.4) i da se daljim grupisanjem atoma smanjuje slobodna energija sistema. Verovatnoa da se iz klice stvori nova faza utoliko je vea ukoliko je dovoljan manji kritian nukleus koji moe nastati i pri maloj aktivacionoj energiji nukleacije. Na brzinu promene utiu istovremeno dva faktora: stepen pothladjivanja i brzina difuzije, to se moe uoiti ako se prate promene austenita na nekoj konstantnoj temperaturi (izotermi-ka promena ispod 727C). Ispod ove temperature austenit je nestabilna faza, pa se menja u perlit jer je slobodna energija austenita vea nego perlita. to je vei ste-pen pothladjivanja (T) raste razlika slobodnih energija A PG G G = , pa se bre odvija transformacija austenita u perlit. Ali, sa porastom T, tj. sniavanjem reakcione temperature smanjuje se brzina difuzije, to usporava kako brzinu nukleacije tako i brzinu rasta. Kao rezultat ova dva protivurena uticaja, brzina promene austenita u poetku raste sa poveanjem stepena pothladjivanja (T), dostie maksimum na oko 550C i najzad opada dostiui gotovo nultu vrednost na 216C za eutektoidni elik (sl. 6.1). Ispod ove temperature nastaju bezdifuzione promene.

Tem

pera

tura

vr, vn, vp

T0 = 727C

vr

vp

vn

Vreme promene

Brz

ina

nukl

eaci

je (v

n)B

roj k

lica

u je

dini

ci z

apre

min

e (n

)

vn

n

Bezdifuziona promenaT3 216C

T3

T2

T1

Slika 6.1 Uticaj pothladjenja na kinetike Slika 6.2. Zavisnost broja klica (n) i parametre promene brzine nukleacije (vn) od vremena promene

Pri prouavanju faznih promena, brzina nukleacije pri izotermikoj promeni moe se odrediti na osnovu broja estica nove faze na jedininoj povrini uzorka pri razliitim vremenima reakcije; grafikim diferenciranjem krive: broj estica - vreme dobija se ta brzina (sl. 6.2). ee se odredjuje ukupna brzina promene tako to se metalografski ili dilatometrijski utvrdjuje koliina nove faze. Trenutak kada se obrazuje 0.5% nove faze smatra se za poetak promena, a kada se formira 99.5% nove faze, to je kraj promene (sl. 6.3). Vremenski interval do poetka promene (gde je brzina promene veoma mala) oznaava se kao period stabilnog austenita ili vreme inkubacije. Nacrtamo li inkubacioni period i stvarno vreme reakcije u dija-gramu temperatura - vreme za ceo interval moguih transformacionih temperatura,

Fazne promene u vrstom stanju kod elika

133

npr. eutektoidnog elika, dobijamo tzv. krivu poetka i krivu zavretka izotermike promene (sl. 6.4).

0.5

99.5

T2 T3 T1

Vreme

Koli

ina

nast

ale

faze

, %

T1 700CT2 550CT3 250C

Slika 6.3 Kinetike krive izotermike promene

Kao to je ve bilo spomenuto, fazne promene metala i legura ostvaruju se u kristalnim grupama, te se zato ne moe zanemariti veza prvobitne kristalne reetke i novostvorene faze. U kristalografskim reetkama raznih tipova postoje ravni i pravci u kojima je razmetaj vornih taaka uzajamno slian (npr. ravan [111] i pravac u povrinski centriranoj kubnoj reetki i ravan [110] i pravac u prostorno centriranoj kubnoj reetki).

Reetke nove faze se prvenstveno orijentiu tako da odgovarajue ravni i pravci u njima budu saglasne ravnima i pravcima sa slinim razmetajem vorova u pola-znoj fazi. Ako je saglasnost potpuna, atomi na dodirnim povrinama popunjavaju istovremeno vorove nove i prvobitne reetke - zadran je kontinuitet reetke obe faze - obe reetke su koherentne; govorimo o koherentnoj nukleaciji. Iz koherent-nih klica stvara se nova faza koja zadrava kontinuitet stare reetke pa se stoga iz-

medju dvaju faza javlja veoma ma-la povrinska energija. Da bi ta granina povrina bila koherentna, klica moe formirati metastabilnu reetku (blisku reetki prvobitne fa-ze - matrice) ili reetku nove faze deformisanjem pribliiti matinoj reetki. Prve klice nove faze pojav-ljuju se na mestima greki kristalne reetke, uglavnom na granicama kristalnih zrna (vidi sl. 6.10a). To znai da kod polikristalnih materi-jala, grupisanje atoma nove faze poinje oko stranih estica i da se tu odigrava heterogena nukleacija.

Poetak promene

Kraj promene

T1

T2

T3

T0

Tem

pera

tura

Vreme

Vremeinkubacije

Vremepromene

Slika 6.4 Kinetiki dijagram izotermike promene

Mainski materijali

134

6.1 Promena pothladjenog austenita

Pri veoma sporom hladjenju austenita ugljeninog podeutektoidnog elika, po-inje izluivanje ferita ispod kritine temperature A31, a kod nadeutektoidnih elika poinje formiranje sekundarnog cementita ispod take ACm (sl. 6.5). Te se faze iz-luuju do temperature eutektoidne linije u koliini koja se moe ustanoviti u ravno-tenom dijagramu pravilom poluge. Posle dostizanja eutektoidne temperature preo-stali austenit se menja u perlit. Pri veim brzinama hladjenja moe se privremeno zadrati homogena austenitna struktura i na temperaturama ispod A1, pa se velii-nom temperature pothladjivanja moe uticati u relativno irokom opsegu na raspad pothladjenog austenita.

Sutina raspada austenita u ravnotenim uslovima vezana je za polimorfnu promenu austeni-ta u ferit to dovodi do sniava-nja koncentracije ugljenika u vrstom rastvoru i obrazovanja cementita. Promena povrinski centrirane reetke u prostorno centriranu reetku ostvaruje se s jedne strane difuzijom atoma gvodja i s druge strane difuzi-jom atoma ugljenika. Obe vrste difuzije (supstitucijska i intersti-cijska) zavise od temperature raspada austenita. U uslovima bliskim ravnotenim (to znai pri malom pothladjenju) odvija-e se reakcije kako difuzijom gvodja (i supstitucijski rastvo-

renih atoma primesa), tako i difuzijom ugljenika. Npr. austenit sa eutektoidnom koncentracijom se u opisanim uslovima raspada u smesu ferita i cementita tj. u per-lit; perlitna promena je dakle uslovljena difuzijom gvodja i ugljenika.

Pri veem pothladjivanju austenita do temperature pri kojoj brzina difuzije gvodja i supstitucijski rastvorenih primesa opada do zanemarljivih vrednosti, osta-je mogunost difuzije atoma rastvorenih intersticijski (pre svega ugljenika), nastaje bejnitna promena; produkt raspada austenita u ovakvim uslovima je bejnit - nerav-notena smesa ploastih (iveriastih) kristala prehladjenog vrstog rastvora i sit-nih karbidnih estica. Pri znatnom pothladjivanju austenita, kada su obe vrste difu-zije onemoguene, dolazi do bezdifuzione martenzitne promene; produkt ovakve promene austenita jeste neravnoteni, presieni vrst rastvor ugljenika u - gvo- 1 Definicije kritinih temperatura elika date su u tablici 7.1.

Koncentracija C

Tem

pera

tura

G

S

EIzluivanjeproeutektoidnogperlita

Izluivanjeproeutektoidnogcementita

Difu

zion

a pr

omen

aBe

zdifu

zion

a

Difu

zija

inte

rstic

. ato

ma

Difu

zija

sup

stitu

c. a

tom

a

Perlitna promena

Bejnitna promena

Martenzitna promena

+ + Fe3C

Slika 6.5 Oblasti glavnih promena pothladjenog austenita


135

dju tetragonalni martenzit. Obrazovanje martenzita nije praeno difuzijom ato-ma, odvija se velikom brzinom koja dostie brzinu od 1000 m/s. Temperaturske ob-lasti tri osnovna tipa promena pothladjenog austenita prikazane su na slici 6.5.

Kod podeutektoidnih ili nadeutektoidnih elika promene austenita, pri sporom hladjenju poinju izluivanjem ferita odnosno sekundarnog cementita. Te se pro-mene oznaavaju kao proeutektoidne i imaju veliki uticaj na strukturu i osobine e-lika i na potonje promene preostalog austenita.

6.1.1 Obrazovanje proeutektoidnih faza

Proeutektoidni ferit ili sekundarni cementit se mogu izluivati iz austenita onda kada se ta matina faza presiti samo sa jednom ili sa obe niskotemperaturske faze1. Npr. proeutektoidni ferit moe nastati onda kada sastav i temperatura austenita od-govaraju takama u ravnotenom dijagramu gvodje-ugljenik, koje lee ispod krive GS (npr. taka A, sl. 6.6) i u neravnotenim uslovima iznad produetka krive SE (npr. taka B). Slino e se i u nadeutektoidnom eliku izluivati proeutektoidni cementit, budu li sastav i temperatura austenita dati takom koja lei ispod krive SE, ali i iznad produetka krive GS (npr. taka C za ravnotene i D za neravnote-ne uslove). Ako bi razmatrana taka leala ispod obeju krivih (npr. take E', F), bio bi austenit presien kako feritom (tj. gvodjem) tako i cementitom (tj. ugljenikom). U takvim bi se uslovima iz austenita izluivali istovremeno ferit i cementit - odvi-jao bi se onda eutektoidni raspad pothladjenog austenita i bez proeutektoidnih rea-

kcija. Tako nastaje perlit drukijeg sastava ( 0.77% C) tzv. kvazi - eu-tektoid.

Kod podeutektoidnih ili nadeu-tektoidnih elika (pri sporom hladje-nju) posle proeutektoidnih promena sledi eutektoidna promena kada se preostali austenit menja u perlit. Ta promena ne utie na ve izdvojeni proeutektoidni ferit ili cementit.

Ako je brzina hladjenja austenita dovoljno mala, takodje je i pothlad-jivanje (i presienje) austenita malo, onda e i termodinamika pogonska sila promene (Gu) biti mala. Klice proeutektoidnih faza mogu u takvim uslovima nastati samo na mestima gde je dovoljna i niska aktivaciona energija. Zato pri malom pothladje-

1 Niskotemperaturske faze kod ugljeninih elika su ferit i cementit.

Koncentracija C, %

Tem

pera

tura

, C

G

A

B

S

E'

FD

C

E

727C

675C

0.65% 0.77% 1.0%

Slika 6.6 Oblast stabilne i metastabilne ravnotee u sistemu Fe - C

Mainski materijali

136

nju klice proeutektoidnih faza nastaju bez izuzetka na granicama austenitnih zrna i one rastu malom brzinom, opet prvenstveno du granice zrna austenita. Pri malom pothladjenju se stoga obrazu-ju mreaste proeutektoidne faze, du granice austenitnih zrna (sl. 6.7).

Pri veim brzinama hladjenja, to znai pri veem pothladjivanju (i presi-enju) austenita, kao posledica dovoljno velike promene slobodne energije G mogue je da se klice proeutektoidne fa-ze pojave i na mestima gde je potrebna

vea aktivaciona energija nukleacije; takodje e brzina rasta klice u tim uslovima biti vea. Tada je energetski povoljnije da se obrazuje ferit u obliku iverica iji su iljci usmereni ka sreditu austenitnih zrna (sl. 6.8) nego da dodje do ravnomernog zadebljanja mreaste feritne faze. Tako nastaje nepovoljna tzv. Vidmantetenova struktura, koju posle potonje perlitne promene preostalog austenita ine iverice fe-rita i zrna perlita.

Obrazovanje Vidmantetenovih ploica omoguuje ubrzavanje promena jer je porast debljine mreaste faze povezan sa veim difuzionim putevima ugljenika. Trenutak kad prestane zadebljanje mreaste faze, i pone formiranje Vidmantete-nove strukture zavisi i od veliine austenitnih zrna. Ta se struktura pojavljuje veo-ma esto u elinim odlivcima (0.2-0.4% C), koji imaju grubo poetno austenitno zrno. Kod plastino preradjenih elika njihovo austenitno zrno je u osnovi sitnije, pa se navedena struktura (Vidmantetenova) redje javlja, uglavnom u zoni uticaja toplote zavarenog spoja, u kojoj moe zrno austenita znatno porasti.

Pojava Vidmantetenove strukture je jedan od uzroka krtosti elinih odli-vaka u stanju po livenju; zato se elini odlivci termiki obradjuju postupcima arenja sa faznim promenama ime se austenitno zrno usitnjava. Takodje je iz ovih razloga pogodno, kod zavarenih elinih delova, izvesti prekristalizacio-no arenje (iznad AC3), ili jo bolje normalizaciju.

Na pojavu Vidmantetenove struk-ture utie pored veliine austenitnog zr-na takodje i temperatura pothladjivanja i sastav austenita. Oblast temperatura i koncentracija gde se pojavljuju mreas-te proeutektoidne faze du granice aus-

Austenit

Mreasteproeutektoidnefaze (ferita ilicementita)

Slika 6.7 Mreaste proeutektoidne faze na granicama austenitnih zrna

Vidmantetenove ploice (iverice)proeutektoidne faze

Austenit

perlit727C

Slika 6.8 Pojava Vidmantetenovih ploica (iverica) proeutektoidne faze


137

tenitnih zrna, Vidmantetenove ploice ili zrnasta struktura proeu-tektoidnih faza, oznaene su na sl. 6.9. Zrnasta struktura proeutektoid-nog ferita nastaje u elicima sa nis-kim sadrajem ugljenika, gde je udeo te proeutektoidne faze visok.

Slino kao proeutektoidni ferit, javlja se i proeutektoidni cementit (sekundarni) u strukturi nadeutek-toidnih elika u razliitim oblicima (mreasti, Vidmantetenove ploice ili iverice) (sl. 6.9, C > 0.77%). Zr-nasta struktura proeutektoidnog cementita se kod nadeutektoidnih elika ne pojavljuje.

6.1.2 Perlitna promena

U ravnotenim uslovima, iz austenita koji sadri 0.77% C izdvaja se (pri kon-stantnoj temperaturi, 727C) smesa ferita (~ 88%) i cementita (~ 12%), koja se na-ziva eutektoidni perlit. Pri veim brzinama hladjenja perlit nastaje iz austenita i is-pod 727C sve dok je termodinamiki mogue da se iz -faze izlue istovremeno ferit i cementit. Za to je neophodna dovoljno visoka temperatura za difuziju uglje-nika, kao i difuziju gvodja i supstitucijski rastvorenih atoma primesa. Temperatu-ru i hemijski sastav poetnog austenita, koji se moe transformisati u perlit, daje oblast metastabilne ravnotee tri faze (austenita, ferita i cementita) omedjena pro-duenim krivama GS i ES ispod eutektoidne linije (sl. 6.6). U ovim uslovima kon-centracije ugljenika i temperature raspada austenita moe nastati perlitna struktura. Posle dovoljno brzog hladjenja, kada je austenit pothladjen do rafirane oblasti (sl. 6.6) moe se dobiti isto perlitna struktura kako kod podeutektoidnih, tako i nadeu-tektoidnih elika bliskih eutektoidnom sastavu. Ispitivanjem je utvrdjeno da kvazi-eutektoidni perlit moe nastati pri sadraju ugljenika u eliku od 0.65-1% C, i do temperature pothladjivanja od 675C. Udeo cementita u kvazi-eutektoidnom perlitu podeutektoidnog elika, bie manji od ravnotenih 12%, a ferita vie od ravnote-nih 88%. Obrnuto vai za taj perlit kod nadeutektoidnog elika.

Poto je perlit sastavljen od estica (obino lamela) dvaju faza, pri obrazovanju perlita mora se pojaviti klica kako ferita, tako i cementita. Prvonastala faza oznaa-va se kao tzv. "aktivni zametak". Dok se dugo pretpostavljalo da je taj "aktivni za-

G

S

E

727C

Koncentracija C, %0.022 0.77 2.11

Tem

pera

tura

, C

Poliedarskazrna ferita

Mreasteproeutektoidne

faze

Vidmantetenove ploice (iglice)

Slika 6.9 Oblasti pojave proeutektoidnog ferita i sekundarnog cementita razliite morfologije

Mainski materijali

138

metak" (tzv. vodea faza) uvek cementit, pokazalo se danas da to moe biti takodje i ferit. Za uslove potladjivanja kad se iz austenita ne izluuju proeutektoidne faze ve se austenit transformie direktno u perlit, pojavie se kao aktivna klica ona faza koja bi se i inae izluila iz austenita u ravnotenom dijagramu. Npr. u austenitu, iji sastav i temperaturu odredjuju take koje lee (u rafiranoj oblasti) blie produ-etku krive SE, aktivni zametak bie ferit; pri temperaturama i sastavima austenita bliskim produetku krive GS to e biti cementit (sl. 6.6).

a)

b)

Slika 6.10 Shema transformacije austenita u perlit kod eutektoidnog elika: a) iz jednog zrna, b) iz grupe zrna

Struktura i morfologija1 perlita usko zavise od mehanizma njegovog nastajanja. Vremenski redosled nastanka perlita prikazan je na slici 6.10a,b. Aktivni zametak perlitne promene je cementit. Poto je sadraj ugljenika u toj klici znatno vii nego u poetnom austenitu, njegovo stvaranje je uslovljeno difuzijom ugljenika iz okol-nog austenita, u kome koncentracija ugljenika opada. U tako osiromaenom auste-nitu lako nastaje klica ferita. Poto ferit rastvara gotovo zanemarljivu koliinu ug-ljenika, difunduju atomi ugljenika do susednih austenitnih oblasti, koje se presiuju ugljenikom upravo do vrednosti potrebne da se obrazuje cementit; promena se nas-tavlja naizmeninim obrazovanjem cementita i ferita.

Ove faze ometaju jedna drugu pri bonom rastu, pa preteno rastu eono, tj. po duini u pravcu upravnom na granice austenitnih zrna (sl. 6.10). Lamele ferita i cementita uzajamno su paralelne, tako da obrazuju kolonije zrna perlita. Na nekim mestima se sluajno moe pojaviti drukije orijentisana klica, za kojom rastu nove perlitne kolonije (sl. 6.10b). 1 Morfologija (gr.), nauka o oblicima.


139

Perlitne kolonije (zrna) su dakle sastavljene od dvaju vrsta estica koje se pri rastu medjusobno dopunjuju. Prema ovom modelu dovoljne su za pojavu kolonije samo dve klice: jedna feritna, druga cementitna. Obe klice izrastaju na poetku per-litne promene odvojeno kao kompaktna zrna a u toku rasta se razgranjavaju.

Perlitna promena je stacionaran proces u smislu konstantne linearne brzine e-onog rasta lamela i zadravanja istog hemijskog sastava, koji odgovara poetnom austenitu. Stacionarnost perlitne promene ne znai da se u toku vremena ne menja brzina obrazovanja perlita u jedinici vremena u jedininoj zapremini sistema (vidi npr. sl. 6.3).

Brzina perlitne promene je, slino kao i brzina bilo koje druge difuzne prome-ne, data brzinom nukleacije i brzinom rasta. Nukleacija perlita je tipian primer he-terogene nukleacije; klice se obrazuju iskljuivo na granicama austenitnih zrna (sl. 6.10a). Pri malom pothladjenju brzina nukleacije je mala (stvara se mali broj klica u jedinici vremena i zapremine), a sa porastom pothladjivanja se poveava.

Za trasformacije pri malom pothladjenju se pretpostavlja da na jedno austenitno zrno dolazi samo jedna klica, pa e rezultujua perlitna struktura biti gruba. Sa opadanjem reakcione temperature poveava se broj klica, pa perlitna zrna postaju sitnija, a medjulamelarna udaljenost (debljina dvojne lamele: ferit + cementit) se smanjuje. U okolini temperature 550C nastaje veoma sitan perlit koji se nekada oznaavao kao trustit. Usitnjavanjem perlitnih zrna dolazi do porasta ne samo tvr-doe, napona teenja i jaine elika, ve i svojstava plastinosti i ilavosti. Razlog tome je to je kod finijih zrna vea povezanost duktilnog ferita i krtog cementita.

Na perlitnu promenu utiu u znatnoj meri takodje i primese i legirajui elemen-ti u eliku. Svi dodati elementi izuzev kobalta i aluminijuma usporavaju tok perlit-ne promene time to smanjuju kako brzinu nukleacije tako i brzinu rasta. Prema svom afinitetu ka ugljeniku i delovanju na transformacionu temperaturu hemijski elementi se raspodeljuju izmedju ferita i karbida; npr. nikal, aluminijum i silicijum su koncentrisani u feritu (vrsti supstitucijski rastvor), a u cementitu ostaju znatno nie od njihovog srednjeg sadraja u eliku. Suprotno tome, mangan i hrom, koji imaju vei afinitet prema ugljeniku nego gvodje, grade legirane karbide ((Fe, Mn)3C, (Fe, Cr)3C). Relativno jednostavna perlitna promena kod ugljeninih elika se znatno komplikuje kod legiranih elika, naroito ako je elik legiran kar-bidotvornim elementima (Cr, V, Mo, W) i ako je pothladjenje austenita malo. Umesto cementita javlja se u smesi sa feritom druga karbidna faza (legirani karbid) koja ima sopstvenu kristalnu reetku i visok sadraj karbidotvornih elemenata.

6.1.3 Martenzitna promena

Ova vrsta promene austenita naziva se bezdifuziona jer se odvija na temperatu-ri ispod 216C, gde difuzija kod eutektoidnog elika prestaje. Opti principi mar-tenzitne promene bili su opisani u glavi 5. Iz ravnotenog dijagrama Fe-Fe3C (vidi sl. 4.3) uoava se visoka sposobnost austenita da rastvara ugljenik. Suprotno tome rastvorljivost ugljenika u feritu je gotovo zanemarljiva. Ako se austenit sa koncen-

Mainski materijali

140

tracijom ugljenika C1 [(C1)] hladi veom brzinom nego to je tzv. kritina brzina, ostae koncentracija ugljenika u vrstom rastvoru ista: 1 1( ) ( )C C .

Atom C

Atomi Fe

a = b = 0.2845 nmc = 0.297 nm

0

20

40

60

80

100 0

20

40

80

60

1001000 200-100-200

Mf

Ms

Temperatura, C

Koli

ina

aust

enita

, %

Koli

ina

mar

tenz

ita,

%

Ms - Martensite startMf - Martensite finish

a) b)

Slika 6.11 Martenzitna tetragonalna reetka (a) i kinetika kriva promene austenita u martenzit (b)

vrst rastvor jako presien ugljenikom naziva se martenzit (sl. 6.11a). Poto su atomi u intersticijskom poloaju postavljeni preteno u pravcu parametra c, do-lazi do istezanja kubne prostorno centrirane reetke -gvodja u tetragonalnu ree-tku. Stepen tetragonalnosti c/a tj. odnos parametara reetke martenzita je zavisan od sadraja ugljenika i dat je na slici 6.12.

Martenzitna promena dovodi do veoma visoke tvrdoe elika. Pored homogene i heterogene deformacije kristalne reetke, nastupa u eliku jo i lokalna elastina deformacija u okolini intersticijskog atoma ugljenika. Tvrdoa i jaina elika je ta-da uslovljena uglavnom tim naponom poto je pokretljivost dislokacija u reetki sa visokom elastinom distorzijom oteana.

Kinetika kriva promene austenita u martenzit (sl. 6.11b) pokazuje da tran-sformacija poinje na Ms- temperaturi (216C za eutektoidni elik), a zavrava na temperaturi Mf -150C. Posle hladjenja ispod temperature Ms deo austenita se ne transformie i ostaje zadran kao tzv. zaostali austenit. Transformacija austenitmartenzit povezana je sa poveanjem zapremine (promena zapremine moe prei i 5%). Martenzitni agregat, zbog svoje vee specifine zapremine, u odnosu na zaos-tali austenit stvara naponsko polje. Treba li dalje zapremine austenita transformisati u martenzit, moraju takodje i one da poveaju svoju poetnu zapreminu, ime se u medjufaznim zonama i dalje poveava napon. Poveana elastina deformacija delu-je svojim energetskim efektom protiv dalje transformacije, te se raspad austenita zaustavlja i deo austenita ostaje nepromenjen kao zaostali austenit.


141

Ako se odstrane energetski razlozi egzistencije zaostalog au-stenita, tj. visok stepen elastine deformacije okolnih martenzit-nih estica, onda se taj austenit transformie u takve strukturne komponente koje su na tempera-turi transformacije stabilne.

Na veliinu temperatura Ms i Mf, pa i temperaturski interval u kome se odvija martenzitna promena, najvie utie koliina ugljenika rastvorenog u austenitu (nikako ukupna koliina ugljeni-ka u leguri); manji uticaj imaju ostali legirajui elementi. Svi elementi rastvoreni u austenitu, osim aluminijuma i kobalta, sni-avaju temperaturu Ms. Tok promene temperatura Ms i Mf ugljeninih elika u zavisnosti od sadraja ugljenika u austenitu dat je na sl. 6.13. Sa slike se za-paa da pri sadraju oko 0.6% C temperatura Mf odgovara taki mrnjenja, a za sve vie sadraje ugljenika u austenitu Mf je ispod te take. Taj tok istovremeno pokazuje da je elike sa viim sadrajem ugljenika (nadeutekto-idne) potrebno kaliti sa tempera-ture koja je neznatno iznad A1. Kaljenjem sa viih temperatura, austenit rastvara vie ugljenika, pa posle kaljenja u strukturi osta-je zadrana vea koliina zaosta-log austenita.

Zaostali austenit je, naroito kod alatnih elika, nepoeljna strukturna komponenta. Kod e-lika sa porastom koliine zaosta-log austenita opada tvrdoa, a kao posledica raspada zaostalog

Ms

Mf

0.2 0.6 1.0 1.4 1.8

0

200

400

600

-200

Sadraj C, maseni %

Tem

pera

tura

, C

Slika 6.13 Zavisnost temperatura Ms i Mf od sadraja ugljenika rastvorenog u austenitu

a1

c

c/a

a

0.2 0.6 1.0 1.4 1.8

1.00

1.04

1.08

0.356

0.360

0.364

0.308

0.304

0.300

0.296

0.292

0.288

0.284

Para

met

ar re

etk

e m

arte

nzita

, (a,

c),

nm

Tetra

gona

lnos

t, (c

/a)

Para

met

ar re

etk

eau

sten

ita, (

a 1),

nm

Sadraj C, maseni %

Slika 6.12 Zavisnost parametara reetke od sadraja ugljenika

Mainski materijali

142

austenita pri radnim ili sluajno povienim temperaturama dolazi do promene di-menzija delova. Udeo zaostalog austenita moe se sniziti tako to se kaljenje u kadi (20C) dopunjuje dodatnim hladjenjem na temperaturi ispod Mf. Ovakvo kaljenje tzv. zamrzavanje se izvodi pre svega kod nekih alatnih elika. Najei nain sni-enja udela zaostalog austenita ili njegovog odstranjivanja ipak je otputanje. Tran-sformacija austenita u martenzit zavisna je u velikoj meri takodje i od spoljnih na-pona koji mogu poveati ili sniziti temperaturu Ms. Jednoosni zateui ili pritisku-jui naponi poveavaju temperaturu Ms, dok hidraulini (svestrani) pritisak sniava Ms temperaturu. Pritisna deformacija moe poveati temperaturu Ms do granine temperature koja se oznaava sa Md (martensite deformation).

a) b)

Slika 6.14 Shematski prikaz strukture zakaljenog elika (a) i mikrostruktura martenzita (b) Mikrostrukturu zakaljenog elika sastoji se iz ploastih ili iveriastih kristala

martenzita, izmedju kojih je rasporedjen netransformisani - zaostali austenit. Prikaz kaljene strukture dat je ematski na sl. 6.14.

6.1.4 Bejnitna promena

Produkt izotermikog preobraaja pothladjenog austenita na nekoj temperaturi u oblasti od 550C do take Ms je prelazna strukturna komponenta - bejnit. Kao to je ranije pomenuto bejnitna promena se ostvaruje pri temperaturi na kojoj pres-taje difuzija supstitucijski rastvorenih elemenata, a ostaje samo intersticijska difuzi-ja. To znai da ugljenik difunduje iz pothladjenog austenita ime se stvaraju zone koje su osiromaene ili obogaene ugljenikom. Takve zone transformiu se u presi-en ferit i igliasti cementit koji zajedno ine bejnit. Presien ferit zove se i bejnitni ferit (sl. 6.15).


143

Slika 6.15 Shema pojave gornjeg bejnita

Struktura bejnita zavisi od temperature na kojoj se odvija preobraaj. Kod po-deutektoidnih elika (ugljeninih i niskolegiranih) nastaje pri temperaturi (550 do 350C) tzv. gornji bejnit; ine ga lamele bejnitnog ferita i njima paralelne estice karbida (cementita) (sl. 6.15). Sa slike se vidi da se najpre obrazuje klica bejnitnog ferita koja dalje raste kako frontalno (eono) tako i bono; istovremeno se taloe cementitne estice ne samo na bokovima feritnih lamela ve i u samim lamelama.

Donji bejnit se obrazuje poev od temperature 350C pa do take Ms i ima la-melarnu strukturu slinu martenzitu. Kod donjeg bejnita karbidne estice smetene su unutar ploica bejnitnog ferita, pod uglom 55-60 u odnosu na podunu osu os-novnih feritnih lamela (sl. 6.16).

Slika 6.16 Shema pojave donjeg bejnita

Difuziona priroda bejnitne promene ispoljava se postojanjem inkubacionog pe-rioda (sl. 6.17) koji zavisi od transformacione temperature (kod legiranih elika in-kubacija se produava sa opadanjem temperature). Za razliku od perlitnog preobra-aja, bejnitna transformacija se ne odvija do kraja, ve se prekida pri odredjenom udelu do tada nepromenjenog austenita (sl. 6.17). U toku same promene netran-sformisani austenit se obogauje ugljenikom. Granice promena koncentracije ug-

Mainski materijali

144

ljenika zavise od reakcione temperature i takodje od sadraja i vrste legirajuih elemenata. Najvee obogaivanje aus-tenita bilo je zapaeno kod podeutektoidnih elika legiranih silicijumom, aluminijumom ili vanadi-jumom; manji uticaj imaju hrom, nikal i mangan. Mehanike osobine bejnitnih struk-tura razlikuju se od feritno-perlitne, is-to perlitne ili martenzitne strukture. e-lici bejnitne strukture postiu veu ja-inu od eutektoidnih elika (perlitnih) i podeutektoidnih elika (perlitno - ferit-nih). U poredjenju sa martenzitnom strukturom (naroito kod elika sa ve-im sadrajem ugljenika) bejnitne stru-kture nemaju tako veliku tvrdou, ali im je ilavost izrazito vea.

6.2 Transformacioni dijagrami

Dijagrami koji prikazuju tok promene pothladjenog austenita, zavisno od tem-perature i vremena, nazivaju se transformacioni dijagrami. Za razliku od ravnote-nih dijagrama oni vae za elik odredjenog hemijskog sastava i za odredjene uslove austenitizacije (veliina zrna, homogenost austenita i dr.). Sadre podatke o poet-ku i kraju izluivanja proeutektoidnih faza, kao i temperaturske zone perlitne, bej-nitne i martenzitne promene austenita. Dobijaju se obino pomou integralnih me-toda (dilatometrija, magnetometrija i dr.) pa stoga daju samo prosene brzine pro-mena. Pored ovih podataka esto se takodje uvode npr. udeli produkta odredjene promene, vrednosti tvrdoa, odgovarajue izlazne strukture i sl. Danas korieni transformacioni dijagrami jesu u dva oblika: izotermiki dijagrami, koji daju pro-dukte promene austenita pri odredjenim konstantnim temperaturama, i anizotermi-ki dijagrami koji daju te produkte pri razliitim brzinama hladjenja. Dijagrami izotermikog razlaganja austenita (IRA) od znaaja su pre svega za izbor parameta-ra nekih vidova termike obrade, a dijagram anizotermikog razlaganja austenita (ARA)1 koristi se kako u praksi termike obrade, tako i za ocenu zavarljivosti zaka-ljivih elika.

1 Koriste se nazivi: Dijagram kontinualnog hladjenja (KH) za ARA i S-krive ili TTT- dijagrami za IRA.

100

50

0

Poetaktransformacije

Vremeinkubacije

Koliinanetransformisanogaustenita

Vreme

Koli

ina

bejn

ita,

%

Slika 6.17 Kinetika kriva bejnitne transformacije


145

6.2.1 Dijagrami izotermikog raspada austenita (IRA)

Iz prethodnih razmatranja proizilazi da je perlitna promena u eutektoidnim e-licima difuzna promena, koja se odvija nukleacijom klica i njihovim rastom. Brzina promene je data brzinom obrazovanja klica i brzinom njihovog rasta. Pri malom pothladjenju austenita ispod temperature A1 (sl. 6.18), kinetiki parametri promene su gotovo zanemarljivi pa je brzina promene zato mala; prva zrna perlita (Ps) se po-javljuju tek posle veoma dugog vremena zadravanja na transformacionoj tempera-turi (dugo vreme inkubacije), to znai da je vreme promena znatno. Pri veem pothladjenju, do oko 550C, za nukleaciju je potrebna manja energija, to znai da se poveava brzina nukleacije i brzina porasta, a time i ukupna brzina promene. Daljim sniavanjem transformacione temperature opada brzina difuzije gvodja pa i ukupna brzina promene. Krive poetka i kraja promena nazivaju se IRA dijagra-mi, a ponekad S ili TTT1-dijagrami. Izgled tog dijagrama za eutektoidni ugljenini elik dat je na sl. 6.18.

727CA1

AustenitPs A + P

A + B

Pf

BfBsMs

Vreme, s

Tem

pera

tura

, C

Austenit + martenzit

1 10 102 103 104

Grubi perlit < 20HRC

Fini perlit 30 40HRC

Gornji bejnit 40 45HRC

Donji bejnit 50 60HRC

Martenzit 65 67HRC

700

600

500

400

300

200

100

0

Slika 6.18 Dijagram izotermikog raspada austenita (IRA) eutektoidnog ugljeninog elika Krive perlitne i bejnitne promene se u odredjenoj oblasti preklapaju (sl. 6.18-

crtaste linije); dijagram se ipak u tom delu prikazuje zajednikom krivom poetka i kraja izotermike promene. Oznaka Ps odgovara delu krive zapoinjanja promene austenita u perlit, a Pf oznaava kraj te promene. Donji deo krive (od "kolena" dija-grama ka niim temperaturama) oznaava se sa Bs i Bf i daje poetak i kraj prome-ne austenita u bejnit.

U zoni levo od poetka promene austenita (Ps, Bs) zadrava se austenitna struk-tura sve do temperature poetka martenzitne promene (oznaene sa Ms). Udesno od 1 Naziv S potie od oblika krivih, a TTT od eng. Time-Temperature-Transformation

Mainski materijali

146

krive kraja austenitne promene (Pf, Bf) strukturu obrazuju produkti promene, iji izgled i osobine zavise od transformacione temperature. U opsegu temperature A1 do kolena dijagrama ( 550C) nastaje lamelarna perlitna struktura, ija tvrdoa ra-ste sa opadanjem transformacione temperature (sl. 6.18).

U temperaturskoj oblasti od "kolena" dijagrama pa do temperature Ms nastaje bejnitna struktura dobijena izotermikim raspadom austenita. Kao to pokazuje sli-ka 6.18, na temperaturi oko 550C prekriva se perlitna promena sa bejnitnom; na temperaturi neposredno ispod "kolena" dijagrama je zato udeo bejnita mali (preov-ladjuje perlit), a sa opadanjem temperature promene raste udeo bejnita. Na viim temperaturama nastaje gornji bejnit sa manjom tvrdoom, a na niim temperatu-rama (350C do Ms) obrazuje se donji bejnit vee tvrdoe (sl. 6.18).

Oblast izotermikog raspada austenita, iji su produkti nastali difuzijom, zavr-ava se na temperaturi Ms. Ispod ove temperature odvija se bezdifuziona martenzi-tna promena, koja ima atermiki karakter, to znai da je koliina martenzita funkci-ja temperature do koje je elik ohladjen trenutno se stvara upravo po dostizanju te temperature i daljim zadravanjem na toj temperaturi struktura se ne menja. Koli-ina martenzita se dakle moe poveati samo daljim padom temperature, tj. izoter-mikim tretmanom na jo nioj temperaturi.

Veoma mala stabilnost austenita, odnosno kratko inkubaciono vreme u okolini temperature 550C i suprotno tome poveana stabilnost austenita na temperaturama bliskim A1 i Ms, te stoga i dugo vreme reakcije, nameu potrebu logaritamske po-dele na vremenskoj osi transformacionih dijagrama.

Kod elika drukijeg sastava od eutektoidnog, promena austenita poinje izlu-ivanjem odgovarajue proeutektoidne faze. Za elike sa sadrajem ugljenika ispod 0.77% to je proeutektoidni ferit; poetak izluivanja ferita (sl. 6.19) pokazuje kriva Fs, koja se asimptotski pribliava kritinoj temperaturi A3. Sa opadanjem transfor-macione temperature, udeo ferita se u rezultujuoj strukturi smanjuje. Kod nadeu-

Tem

pera

tura

log t, s

Mf

Ms

Bs

Ps

F s

A3

B f

P f

A1

Tem

pera

tura

log t, s

Acm

A1

P f

B fMs

Bs

Ps

Cs

Slika 6.19 Dijagram IRA - Slika 6.20 Dijagram IRA - podeutektoidnog elika nadeutektoidnog elika


147

tektoidnih elika poetak izluivanja proeutektoidnog cementita odredjuje kriva Cs (sekundarni cementit) (sl. 6.20).

Dijagrami IRA se konstruiu eksperimentalno, na osnovu razliitih fizikih osobina austenita i produkata njegovog preobraaja. Za konstruisanje dijagrama slui npr. dilatometrijska metoda, koja koristi razliku specifine zapremine austeni-ta i novonastalih produkata, rezistometrijska metoda (razliit elektrini otpor), ma-gnetometrijska metoda (austenit je nemagnetian, novi produkti magnetini) i dr. Za ova ispitivanja se pripremaju manji uzorci, dimenzijski jednaki, koji se posle austenitizacije brzo hlade do razliitih temperatura ispod A1; na odgovarajuoj

temperaturi uzorak se zadrava sve do potpunog difuzionog raspada austenita. Iz kinetike krive (koli-ina nove strukturne komponente-vreme; vidi npr. sl. 6.3) koja odgo-vara datoj temperaturi, utvrdjuje se poetak i zavretak preobraaja au-stenita. Sline kinetike krive treba odrediti za razliite transformacio-ne temperature u celom temperatur-skom opsegu A1 do Ms. Dijagrami izotermikog raspada austenita mogu se takodje konstruisati meta-lografskim metodama; mikroskop-skim ispitivanjem se procenjuje ko-ji se udeo austenita pri datoj tempe-raturi i vremenu transformisao i ko-

ji je jo ostao nepromenjen. Koristi se grupa malih uzoraka (npr. 10 1 mm) koji se po austenitizaciji brzo hlade na razliite temperature ispod A1, na toj reakcionoj temperaturi se dre odredjeno vreme, pa se potom kale u vodi (sl. 6.21). Deo struk-ture koji se dranjem na reakcionoj temperaturi raspao u perlit, ostaje pri hladjenju u vodi nepromenjen, a preostali austenit se u intervalu Ms - Mf menja u martenzit. Potreban je za svaku transformacionu temperaturu vei broj uzoraka, to je i mana ove metode u odnosu na prethodne.

Na oblik i poloaj krivih IRA dijagrama utiu mnogi inioci. Svi legirajui elementi, sa izuzetkom Co i Al poveavaju stabilnost austenita, odnosno pomeraju krive poetka i kraja promene udesno. Oni takodje podiu ili sniavaju temperaturu najmanje stabilnosti austenita i Ms temperaturu (sl. 6.22c). Legirajui elementi koji sa gvodjem obrazuju supstitucijske vrste rastvore (Ni, Cu) ne menjaju oblik dijagrama ve ga samo pomeraju udesno. Karbidotvorni elementi (Mo, Cr, W, V), izrazito menjaju i oblik dijagrama, ali i medjusobno udaljuju perlitnu i bejnitnu zo-nu (sl. 6.22b,d). Pored primarnog uticaja hemijskog sastava elika, znaajno utiu takodje uslovi austenitizacije; vea homogenost i vea austenitna zrna pomeraju krive poetka i kraja preobraaja austenita udesno; suprotno tome sitna zrna auste-

Austenizacija

Vreme (log)

MM

PB

P+MB+M

A1

Tem

pera

tura

Slika 6.21 Prikaz termike obrade uzoraka za konstruisanje IRA dijagrama

Mainski materijali

148

nita, nehomogenost austenita i pri-sustvo stranih estica u austenitu (primese, nerastvoreni karbidi) pomeraju dijagram ulevo (sl. 6.23).

Legirajui elementi i uslovi austenitizacije utiu takodje na po-loaj temperaturskog intervala u kome se odvija martenzitna pro-mena (Ms - Mf). Svi elementi ras-tvoreni u austenitu sniavaju Ms temperaturu (samo Co i Al je po-veavaju); znaajan je naroito

Tem

pera

tura

Tem

pera

tura

A

A+P P

BA+B

A

A+P P

A+B B

log t, slog t, s a) b)

Tem

pera

tura

Tem

pera

tura

Si, A

lN

i,Mn,

Cu

Ni,C

uMn,

Al,C

o

Cr,W

,Mo,

VC

r,W,M

o,V

Mo,

VC

r,W,

Cr,W,Mo,

Cr,W,Mo,

V

VNi,Mn,Cu

Si, Al

Co

A A

M M

log t, s log t, s

C1,3 C1,3

s s

c) d)

Slika 6.22 Shema uticaja karbidotvornih elemenata na oblik IRA dijagrama; a) nizak sadraj legirajuih elemenata, b) visok sadraj legirajuih elemenata, c) elementi koji pomeraju koleno i Ms temperaturu, d) elementi koji udaljavaju perlitnu i bejnitnu oblast

Ugljenini elikSitno zrno austenitaNehomogeni austenitStrane estice u austenitu

Legirani elikGrubo zrno austenitaHomogeni austenitAustenit bez stranih estica

Vreme (log)

Tem

pera

tura

Slika 6.23 Shema uticaja nekih inilaca na poloaj krivih u IRA - dijagramu


149

uticaj ugljenika koji Ms temperaturu izrazito sniava (vidi sl. 6.13). Na uslove aus-tenitizacije moe se pre svega uticati promenom temperature i vremena austenitiza-cije. Sa poveanjem temperature austenitizacije, temperatura Ms opada pre svega kod legiranih elika, koji uz to sadre i vei procenat ugljenika. Glavni uzrok tome je porast koncentracije ugljenika i primesa u austenitu, vezan za rastvaranje karbida srazmerno temperaturi. Kao to je poznato, na temperaturu Ms ne utie ukupan sa-draj ugljenika i legirajuih elemenata u eliku ve samo deo rastvoren u austenitu. Slino kao temperatura Ms menja se i temperatura Mf, ali je njeno tano odredjiva-nje tee. Martenzitna promena se na niskim temperaturama zaustavlja uz zadrava-nje odredjene koliine nepromenjenog austenita (vidi glavu 6.1.3).

6.2.2 Dijagrami kontinualnog razlaganja austenita (ARA, KH)

Kao to je poznato, pri ravnotenom hladjenju austenita do take AC1, njegova slobodna energija (G) praktino postaje jednaka slobodnoj energiji niskotempera-turskih faza (ferita i cementita). Zato i transformacija austenita u realnim uslovima moe nastati samo uz manje ili vee pothladjivanje (ispod AC1), to ga ini metas-tabilnim i sklonim da se bre promeni u stabilniju strukturu.

Ako se ranije navedenim metodama ustanovi vreme poetka i kraja transforma-cije austenita u uslovima neprekidnog hladjenja razliitim brzinama (npr. na mir-nom vazduhu, pri prinudnom strujanju vazduha, ili u ulju, krenom mleku, vodi, vodi sa 5-10% NaCl), dobija se dijagram kontinualnog hladjenja, tzv. "KH" dija-gram. Opti oblici ovog dijagrama prikazani su na slici 6.24a. za ugljenine podeu-tektoidne elike i na slici 6.24.b za eutektoidni ugljenini elik. Slino kao i kod izotermikog razlaganja austenita, najmanjim brzinama hladjenja odgovara feritno-perlitna struktura (F+P) kod podeutektoidnog elika, odnosno feritno-cementitna (F+Cm) kod nadeutektoidnog elika. Veim brzinama hladjenja odgovara bejnitni-martenzitna (B+M), a najveim brzinama hladjenja isto martenzitna struktura (M).

Ukratko se razlika izmedju IRA i KH-dijagrama moe svesti na sledee: kod IRA dijagrama poetak i kraj promene austenita prate se po izotermi

(T = const.), a kod KH-dijagrama promena austenita se prati po odgovarajuim krivama hladjenja (v1, v2, v3, ..), (sl. 6.24a),

isto bejnitna struktura ne moe se dobiti kontinualnim hladjenjem ve samo u izotermikim uslovima hladjenja (faktor vreme je bitan za difuziju!) i

krive kontinualnog hladjenja (KH) pomerene su udesno i dole u odnosu na IRA- dijagram, u to znai da kasni poetak i kraj razlaganja austenita i da se pomera ka niim temperaturama (sl. 6.24b).

Mainski materijali

150

Analizirajui dalje KH-dijagram (sl. 6.24a) uoava se da, pri brzini hladjenja v1 neto manjoj od kritine (vkr = v2), jedan deo austenita difuziono se menja u fini perlit (bejnit), a drugi deo ostaje nepromenjen sve do Ms-temperature, kad poinje njegov bezdifuzioni preobraaj u martenzit. Krajnju strukturu tada ine bejnit i martenzit. Ako se brzina hladjenja povea do v3 (v3 > vkr), difuziona promena aus-tenita vie nije mogua, on se prehladjuje do take Ms, transformiui se dalje me-hanizmom klizanja u martenzit. Ispitivanja su pokazala da se sav austenit ne tran-sformie u martenzit, ve da u strukturi kaljenih elika uvek ostaje manja ili vea koliina nepreobraenog - zaostalog austenita. Iz dijagrama na slici 6.24a se vidi da pri hladjenju brzinama manjim od vp nastaje konana struktura ferit + perlit, pri brzini izmedju vp i vb dobija se meovita struktura ferita, perlita, bejnita i martenzi-ta (F+P+B+M)1. Najzad, brzini hladjenja izmedju vb i v1 odgovara meovita struk-tura F+B+M.

Minimalna brzina hladjenja, kojom se odlae promena austenita sve do Ms-temperature, odgovara tangenti na koleno KH krive i naziva se kritina brzina hla-djenja (v2, sl. 6.24a). Nelegirani (ugljenini) elici imaju veoma veliku kritinu br-zinu hladjenja koja se kree od 200-600C/s; vee brzine odgovaraju niskougljeni-nim elicima, a najmanja vkr odgovara eutektoidnom eliku.

Kod legiranih elika, svi dodatni elementi (izuzev Co i Al) poveavaju stabil-nost austenita, pomeraju udesno kinetike krive, to znai da produuju period in-kubacije, odnosno smanjuju vkr. Najzad, treba istai da su strukture legiranih elika sloenije od nelegiranih; one mogu biti meavina ferita, perlita, bejnita, martenzita i neto zaostalog austenita, pa se krae nazivaju medjufaznim strukturama.

1 Po odgovarajuoj krivoj hladjenja prate se sve faze u koje se transformie austenit od take A3 do sobne temperature.

AA

c3

c1

ferit + perlit

perlit

austenit

Krajtransformacije

Kriva kontinualnoghladjenja

IRA kriva

Eutektoidni elik

bejnit + martenzitmartenzit

vvv

log t, s log t, s

vv

v

v

M M

a) b)

M

Mmartenzit M+P perlit

MA

T

TT p

pkrb

1

2

3

s s

f

f

1

1'

'2

Tem

pera

tura

, C0

Tem

pera

tura

, C0

Slika 6.24 (a) KH - dijagram podeutektoidnog elika, b) IRA dijagram ( ) i KH dijagram (------) eutektoidnog elika


151

DEFINICIJE I DOPUNE:

Kinetike promene: promene zavisne od vremena, tj. od brzine kojom se reakcija odvija. Kinetiki parametri promena: brzina nukleacije nove faze i brzina njenog rasta. Aktivaciona energija nukleacije: dodatna energija neophodna za termiko aktivi-ranje reakcije. Brzina nukleacije i brzina rasta: broj novonastalih klica u jedinici vremena i brzina pomeranja granica izmedju nove i poetne faze. Kinetike krive: eksperimentalno odredjene krive ukupne brzine promene stare faze u novu u funkciji vremena. Izotermike promene: promene koje se odigravaju u toku vremena pri konstant-noj reakcionoj temperaturi. Vreme inkubacije: vremenski interval do poetka fazne promene (npr. austenita) na datoj temperaturi. Austenitizacija: proces transformacije niskotemperaturskih faza elika u aus-tenitnu strukturu; poetna struktura moe biti feritno-perlitna, perlitna ili perlitno-cementitna; uslovi austenitizacije definiu se temperaturom i vremenom dranja. Difuziona promena austenita: promena koja se odvija poev od perlitne tempera-ture, pa do poetka martenzitne transformacije. Bejnit: smea presienog - ferita i sitnih cementitnih (karbidnih) estica raz-metenih u bejnitnom feritu. Martenzit: presieni intersticijski vrsti rastvor ugljenika u prostorno centriranoj tetragonalnoj reetki gvodja. Proeutektoidni ferit: - ferit koji se obrazuje kod podeutektoidnih elika razlaganjem austenita na temperaturama ispod take AC3 pa do AC1. Niskotemperaturske faze ugljeninih elika: faze koje odgovaraju sobnoj tem-peraturi, dobijene u uslovima ravnotenog hladjenja; to su ferit i cementit. Proeutektoidni cementit: cementit koji se obrazuje razlaganjem austenita nadeu-tektoidnih elika na temperaturama ispod take ACm pa do AC1. Kvazi eutektoidni perlit: perlit dobijen u uslovima pothladjivanja elika, iji je sadraj ugljenika razliit od 0.77%; pothladjeni austenit sa sadrajem 0.65-1% C, moe se zadrati neraspadnut sve do 675C (kada prelazi u kvazi-eutektoid). Vidmantetenova struktura: struktura igliastog ferita sa vrhovima iglica us-merenim prema sreditu perlitnih zrna. Zrnasti perlit: smea globularnih (okruglih) estica cemenita u feritnoj osnovi. Sorbit: dvofazna struktura koju ine tanke gusto sloene feritne i cementitne es-tice dobijene pri izotermikom hladjenju elika na temperaturi ~ 650C.

Mainski materijali

152

Trustit: dvofazna struktura finog perlita koju ine tanke lamele ferita i cementita dobijene pothladjivanjem i izotermikim zadravanjem elika na ~ 550C. Zaostali austenit: deo nepreobraenog austenita koji ostaje u strukturi visokougl-jeninih elika (sa C > 0.60%) posle njihovog brzog hladjenja do sobne tempera-ture. Dijagram izotermikog raspada austenita (IRA): dijagram vreme - temperatura koji pokazuje produkte izotermikog raspada austenita pri razliitim tempera-turama. Daje se za svaki elik posebno. Dijagram kontinualnog razlaganja austenita (KH): dijagram transformacije e-lika u koordinatnom sistemu temperatura vreme; u dijagram se upisuju produkti promena pri razliitim brzinama kontinualnog hladjenja. Daje se za svaki elik posebno, kao i za odredjene uslove austenitizacije, tj. temperaturu i vreme zagre-vanja u austenitnom podruju. Kritina brzina hladjenja: minimalna brzina hladjenja kojom se spreava difuzi-ona promena austenita sve do temperature poetka martenzitne transformacije. Odredjuje se kao tangenta na koleno KH- krive za dati elik.

PITANJA:

1. Uticaj stepena pothladjivanja na kinetike parametre faznih promena. 2. U faznom dijagramu 3Fe Fe C za elik upisati strukture i temperature koje

odgovaraju difuzionim, bezdifuzionim i kombinovanim promenama. 3. Proeutektoidne faze kod ugljeninih elika. 4. Kako nastaje proeutektoidni ferit, a kako eutektoidni ferit? 5. Perlitna promena u ravnotenim uslovima. 6. U emu je razlika izmedju eutektoidnog i kvazi-eutektoidnog perlita? 7. Kod kojih elika i u kojim uslovima nastaje nepovoljna Vidmantetenova struk-

tura, i kako se ona moe naknadno tranfomisati u povoljniju strukturu? 8. Opisati kako se dobija martenzit i skicirati elementarnu reetku austenita i

martenzita. 9. Skicirati kinetiku krivu promene austenita u martenzit (% M u funkciji

temperature pothladjivanja). 10. Dijagramski prikazati zavisnost Ms i Mf od sadraja ugljenika u eliku, i objas-

niti zbog ega deo austenita kod nekih elika ostaje nepreobraen. 11. Pojam zaostalog austenita, zato je tetan i kako se on moe transformisati? 12. Bejnitna promena, kinetika kriva te promene i vrste bejnita. 13. Razlika izmedju ravnotenih faznih dijagrama i transformacionih (IRA i ARA)

dijagrama.


153

14. Nacrtati IRA - dijagram eutektoidnog elika i strukture koje se dobijaju pri izotermikom arenju na raznim temperaturama.

15. Nacrtati IRA- dijagrame za eutektoidni, podeutektoidni i nadeutektoidni elik. 16. Uticaj karbidotvornih elemenata i drugih faktora na oblik i poloaj IRA- dija-

grama. 17. ta su to niskotemperaturske faze kod ugljeninih elika? 18. Dijagram kontinualnog hladjenja podeutektoidnog elika (KH- dijagram). 19. Skicirati KH- dijagram i upisati strukture koje se dobijaju pri razliitim brzi-

nama hladjenja. 20. Objasniti razliku izmedju IRA i KH- dijagrama na primeru eutektoidnog elika? 21. Kako se dobijaju strukture: perlit, sorbit, trustit, bejnit, martenzit i medjufazne

strukture? 22. Zato se kontinualnim hladjenjem ne moe dobiti isto bejnitna struktura, ve

samo meavina martenzita i bejnita?

Mainski materijali

154

Documents

Fazne promene u stanju celika