Stlmetallurgi

JohnD.VerhoevenEmeritiusProfessorIowaStatsUniversitet

Marts2005

oversataf

GlennHansson

Kalundborg2009

Forord

Jegharnuigodtogvel15rarbejdetmedatundervise(blad)smedeiproblemerrelaterettilformningogvarmebehandlingafstlblade.Deteridentidblevetbenlystformig,atdererbrugforenbogsomforklarerstlmetallurgiforpersonersomvarmebehandlerogformerstlogsomingenformeluddannelseharindenformetallurgi.Dennebogeretforsgpatopfyldedettebehov.Jegharerfaretat(blad)smedeeretretkviktfolkefrdnrdetkommertilatforstmetallurgi.Jegharderforidennebogforsgtattilstrbeenrimelighjdetaljeringsgrad,forattilfredsstilledemsommttenskeengrundiggennemgangafemnet.

Deflestekapitleridennebogindeholderenkortsammendragsidstikapitlet.dissesammendraggiveretkoncentreretoverblikoverindholdetihvertenkeltkapitel.Detvilmulighvisvreengodidatlsedettesammendragindenmanlserselvekapitlet,ogdeterogsengodidatlsedeteftermanharlstkapitlet.

MaterialsInformationSociety,ASMInternational,harudgivetenbogsomindeholderetvldafinformationer om tilgngelige stl og er srdeles brugbar for den som arbejder ogvarmebehandler stl: Heat Trater's Guide, Practices andProdedures for Irons andSteels, 2nd

Edition,(1995),MaterialsPark,OH44073. EtafhovedformlenemeddennebogeratgivedetndvendigegrundlagdervilstteenmetalarbejderistandtilatforstdeninformationsomeriASMbogen,svelsomandreopslagsbgerudgivetafASMInternational.

Jegvilgernehersigetakfordenhjlpjegharfetatto(blad)smedesomharbidragettildennebogiflerehenseender.AlfredPendrayogHowardClark.Beggeharhjulpetmigtilatforstdetstore arbejde som bliver gjort af Amerikanske (blad)smede og de har ogs bidraget medeksperimentersomertagetmedidennebog.Deerogsansvarligeforatdennebogerblevettildajegharlavetdenpderesopfordring.DerudoverviljeggernesigetakforalledemangelrerigediskussionerjegharhaftmedWilliamDaukschogminkollega,professorBrianGleeson,somharbidragetmedmangegodeforslagtilkapitletomrustfaststl.

Jegskylderisrdeleshedenstortaktil IowaStatsuniversitetogderesafdelingformaterialevidenskabogingenirvidenskabforathavegivetmigmulighedenforatundervisemetallurgiingenigreleverne i stl i nu mere end 20 r. Ligeledes skylder jeg en stor tak til AmesLaboratoriet,DOE,somharstttetdetmesteafminforskning.Mangeafdebillederogmetodersomer brugt i dennebog er et resultat af min erfaring somunderviser af elever samtminforskningvedIowasStatsuniversitet.

Minprofessionelle karriereer blevet stttet af offentligt stttede institutioner. Jeggiver derforenhverbruger copyrighttilladelsetilatdownloadeogprinteenkopiafdennebogtilpersonligbrugogenhverlrerlovtilatgredetsammefordereselever.Jeggiverikkenogentilladelsetilkommercielbrugafdennetekst.Copyrightpallebillederogfigurersamtderesteksttilhrerderesrettighedsejer.Copyrighttilladelseblevdogindhentetmedhenblikpudgivelseidennebog.

ForordafoverstterenJegkunneikkefindenogetomstlpdansk,mendeterdernu.EnddaGratis.Godfornjelse.

kommentarerogforslagtilyderligereindholdtildennebogmodtagesgerne:

GlennHanssonpostmaster@xunil.dk

www.xunil.dk

1RentJern

Deflestestltyperindeholdermereend95%Jern,setgodtudgangspunkt,hvismannskeratforsthvadstler,eratseprentjernsegenskaber.Betragtflgendeeksperiment.Udafenrenjernstangpentommes(25.4mm)tykkelse,skrervinuenskivemedenstrrelsesvarendetilen mnt. Vi begynder nuat polere overfladenp denne mnt, frst medengrovpolering,dereftermedenfinerepolering,ogdereftermedenendnufinerepolering,ogviblivervedpdennemdeindtilviharenoverfladedererligesblanksometspejl.Vinedsnkernudenneskivei2030sekunderienblandingaf2til5%nitridsyre(HNO3)iMethanol(ogskaldetnital,nitpgrundafsyrenogalpgrundafalkoholen)enprocessogsbedrekendtundernavnettsning.tsningenfrdenblankeoverfaldetilatblivemat.Hvismannukikkerpdenneprve(mnt)ietoptiskmikroskopmedenforstrrelsep100gangesviloverfladenhaveetudeeendesvarendetildetvikansepfigur1.1.Deenkelteregionersomf.eks.demsomernummereretmednumrene1til5ifigurenbliverkaldtforjernkorn,oggrnsernemellemdissekornsomf.eks.denderer fremhvetmedenpil, mellemkorn4og5bliverkaldet forenkorngrnse.Dengennemsnitligestrrelseafdissekornerganskelille.Ifiguren(1.1)somerforstrret100gangeervist en streg med to pile denne streg har en lngde der svarer til 200 micrometer. Dengennemsnitlige korndiameter i denne prve er blevet beregnet til 125 mikrometer, hvor 1mikrometer=0.001mm.Tiltrodsforatdissekornumiddelbartsynesretsm,serdissekornmegetstrreenddemmannormaltfinderikommercieltbrugtejern. (Deteralmindeligtatbrugebetegnelsenmformikrometer.Tykkelsenafslvpapirogetmenneskehrharbeggeendiameteromkring50m).

De grundlggende byggesten i fastestoffersomf.eks.saltogisermolekylersomersamlingeraf2ellerflereatomer.ForeksempelNatriumogClor(NaCl)ialmindeligt bordsalt og Hydrogen ogOxygen i is (H2O). I jern er degrundlggendebyggestenderimodikkemolekyler men selve atomerne, Jernatomer (Fe) i en jernstang og kobber(Cu) i en kobbertrd. Hvert enkelt afdisse kormsomvi kan se i figur 1.1bliver ogs kaldt for et krystal. I etkrystal som udelukkende bestr afatomer (og ikke molekyler) er alleatomernepntordnetilag.Somvistifigur 1.2, hvis du nu forbinder alledisse atomer med hinanden medstreger somvil det se ud somomatmanhar stablet enmasse sm kuber (terninger) pnt ovenp hinandenog disse terningerudfyldernuhelekrystalletsrum.Ijernvedstuetemperaturhardissekuberetatomihverafde8hjrnerogetatomligeimidtenafkuben.DennekrystalstrukturbliverkaldtBCC(bodycentreretcubisk)strukturogdetgeometriskearrangementafatomerbliverderforofterkaldetforetBCCgitter. Lg mrke til at denne gitterstruktur kan betragtes som 3 forskellige planer dergennemskrerhinandenvinkelretogalletreplanerliggerparalleltmedkubensoverflader.JernmedstrukturenBCCbliverogskaldtforferrit.Etandetnavnforferriteralfajernellerjern,hvorijernerdetgrskebogstavfora.

1

Enkorngrnsesnaturervistimidtennederstifigur1.2.Grnsenmellemdetokornerdenfladehvorderesgitre,someriforskelligevinkleriforholdtilhinanden,mdes.Planetikorn4harenmegetskarperevinkeliforholdtildenhorisontalelinieendAplanetikorn3.Hviskorn4bliverroteretmeduretindtilplanetAliggerpsammeliniesomplanetAikorn3,svillekorngrnsenforsvindeogdetokornvilleblivetileetstortkorn.Etinteressantsprgsmlerhvorfordisse korngrnser er synligep en tset overflade? Nr et metalbliver tset i en syre, s vil atomerne kemisk blive fjernet fraoverfladen.Detvisersigatdenhastighedhvormedatomerneblivertset vkaf nitalen fraoverfladenafhngeraf krystallet vinkel iforholdtiloverfladen.Daallekornenehargitresomhlderforskelligeiforholdtilhinanden,svildeallesammenogsblivetsetiforskelligehastigheder.F.eks.svilplanerneafetBCC(bodycentreretcubisk)krystalblivetsetmegetlangsommereenddeandretyperkrystaller.Derforvildereftertsning i et stykketidvisesigsm niveauforskellemellemdeenkeltekornidereskorngrnser.Hvisetkornf.eks.blivertsethurtigt,svilderefteretstykketidnrmestvreet'trin'optildeomliggendekornligeikorngrnsen.Disse'trin'frlysettilatblivereflekteretvkfraditjeoggrnsernevilfremstsommrkelinier.

Hvis jern bliver varmet op til 912C sker der ennrmestmagiskting,krystalstrukturenndresignupludselig fra 'boby centreret cubisk' (BCC) til en nystruktur kaldet 'flade centreret cubisk' (FCC). Dennestrukturervistifigur1.3oghererdetmuligtatse,somnavnetantyderatderliggeretatomihverthjrneogatderogsliggeretatomphverafde6fladerafkuben(terningen).

2

LigesomBCCstrukturenvedlavtemperaturhartonavne,shardennestrukturogstonavne,entenaustenitellergammajern(jern),hvorerdetgrsketegnforbogstavet'g'.

Historisknote:Defrste3bogstaveridetgrskealfabeter;alfa,betaoggamma()mendererikkenogetjernsomhedderbetajern?Strukturenafjernblevopdagetislutningenafdet19'enderhundrede.Ijernerdenmagnetiskeovergangijernetved770C(Couriepunktet)ogdetfikdengangvidenskabsfolktilattroatderhervartaleomennyformforjernogdegavdetnavnetbetajern.Detharsenerevistsigikkeateksistere.

Nrferritiskjernblivervarmetopover912Csomvildegamleferritkornskifte(transformeresig)tiletnytstaustenitiskekorn.Forestildigatferritkornenesstruktursomvistifigur1.2netopharnetdennetransformationstemperatur.Detmanfordetfrstevilseerdannelsenatetnytstmegetsmaustenitkornsomvokserfremikorngrnsenmellemferritkornene,ogdetandetmanvilseeratvkstenafdissekornvilblivevedindtilaltferritenervk.Tovigtigetingskernrferrittransformerestilaustenit:(1)Psammemdesomdetkrverenergiatlaveisomtilvand,skrverdetogsvarmeenergiatomdanneferritkorntilaustenitkorn.Derfornrmanvarmerjernetoptildetnrtil912C,svildetforblivemedathavedennetemperaturindtilaltferriteromdannettilaustenit.(2)Veddennetransformationafferritentilaustenit(til)skerderogsenndringafvolumet.Tthedeniausteniter2%hjereendtthedeniferrit,hvilketbetyderatvolumetperatomermindreiaustenit.

Deterfaktisklettereatforstdettehvismantegnerdetpetstykkepapir,hvormantegnerenlodretliniesomvisertemperaturstigningenogderefterskriverudfordeforskelligetemperaturerhvadderskervednetopdennetemperatursomvistifigur1.4.Herertoforsgsomduselvkanlave:Forsg1:Opvarmetstykkejerntil over770Cogladdetnukleaf i nrhedenafenmagnet.Nrtemperaturenbegynderatkommenedomkring770Csvildetblivetiltrukketafmagneten.Somdiagrammetviserifigur1.4serBCCjern(jern)kunmagnetiskunder770CogFCCjern(jern)eraldrigmagnetisk.Forsg2:Tagetstykkesortjerntrd(ikkegalvaniseret)ogspnddetudhorisontaltmellemtoelektrodermedenafstandpca1meter.Hngenvgtitrdenmidtmellemdetoelektroder,ogladnuenelektriskstrmlbegennemtrdenogvarmdenopover912C,hvilketvilgiveenrdtilorangegulfarve.(Bemrkning:Duvilvrendttilatgespndingenlangsomvedhjlpafenvariabelstrmforsyningsomf.eks.envariac).

3

Efterhndensomduvarmertrdenvil denudviddesig ogvgtenvil faldened. Sluknu forstrmmenogsenuptrdenmensdenklerietmrktrum.Duvilnusedetoovenstendeeffekter,somvilskevedtransformationstemperaturenp912C,findested.1)Efterhndensomtrdenklerafvildennetrkkesigsammenogvgtensomhngerpmidtenvilhvesig,mendennebevgelseviletkortjeblikbliveophvetnrtrdenudviddersignrdenmindrettteferritbliverdannet.2)Varmenfrigivetveddennetransformationvilvremuligatseietmrktrum,somenkortstigningidentemperaturfarvesomtrdenlysermed.Beggedisseeffekterkansesiomvendtrkkeflgevedopvarmningenmendeermindredramatiskeatsep,dadetersvrtatforetgeenhurtigopvarmning.Detkanvrelettereatforsthvorforderbliverfrigivetvarmenraustenitndresigtilferritvednedklinghvisdutnkerpvandistransformationen.Deterikkesvrtatforstatmanderndttilatkle(fryse)vandforatfdettilatblivetilis.Detbetyderatvarmebliverfjernetfravskenvedfrysetemperaturen.Detsammeskernrmetalfryser,varmebliverfjernetframetallet.Snretmetalbliverkletnedtildetsfrysepunkt,svilderblivefrigivetvarmefravsken.Transformationenfraflydendeformtilfastformeren fasetransformationfraenflydendefasetilenfastfase.Fasetransformationersomskervednedklingfrigivervarme.Nraustenittransformerestilferritvednedklingsharvienfastfast(ogikkeenfastflydende)) fase transformation og varmeer frigivet. Vedopvarmning sker det omvendte,varmebliverabsorberetnrferritenbliveromdannettilaustenit.

Referencer

1.1MetalsHandbook,7'endebind,8'endeudgave,ASM(1972)

Opsummeringafhovedpunkterneidettekapitel

1Etstykkemetalbestrafmillionerafsmkrystallerttpakketsammen.

2 Hvertenkelt krystalbliverkaldtforetkorn.Entypiskkorndiameterermellem30og50mikrometer.

3Grnsernemellemdissekrystallerbliverkaldtforkorngrnserne.

4 Under912 Cbliverjernkaldtforentenferritelleralfa() jern.Jernatomerneiferriterarrangeretietskaldtbodycentreretcubisk(BCC)geometri.Deteralmindeligtatkaldeatomerarrangeretpdennemdeforetbodycentreretcubisk(BCC)gitter.

5 Over912Cbliverjernkaldtforentalaustenitellergamma()jern.Atomerneiausteniterarrangeretietfladecentreretcubisk(FCC)gitter.

6 Opvarmningafferrittil 912 Cfrertil dannelsenafsmaustnitkornikorngrnsernemellemferritkornene.Fortsatopvarmningvilfdissesmaustenitkorntilatvokseogdevilfortsttemedatvoskeogomdanneferrittilaustenit,indtilaltferriteromdannettilaustenit.Vednedklingunder912 Cskerdetsammeblotiomvenderkkeflge,nuvildetblotistedetforvrealfakornsomerstattergammakorn.

4

2OplsningerogFasediagrammer

Forat forst hvordandetermuligtatkontrollerestls styrkeerdetyderstvigtigtathaveetgrundlggendekendskabtiltoemner:Oplsningerogfasediagrammer.

OplsningerEnoplsningkanforklaresmedflgendeenkleeksempel.Tagetglasvandoghldenskefuldsaltellersukkernedivandet.Tilatstartemedvilduseatalsaltetellersukkeretentenflyderoppepoverfladenellersynkertilbunds.Menefterathaverrtlidtrundtivandetmedenskevilduseatduikke lngerekansesaltet/sukkeret, duvil nuigenkunsevandetsomdustartedemed.Saltet/sukkereternublevet oplst ivandetogdenvdskesomvinuharkaldermanforenoplsningafsalt/sukkerivand.

Hvaderdernusketmedsaltet/sukkeret?Ladosbrugesaltetsomeksempeldasaltmolekyleterlettereat forklareendsukkermolekylet. NatriumClorid (NaCl) er det sammesomalmindeligtbordsaltogCalciumclorid(CaCl2)erdetsammesomdetsaltvismiderpvejeneomvinterennrdeerfuldeafis.Nrsaltetgrioplsning,bliverdetbrudtopidetsatomerogdisseatomerblivertrukketindidetflydendevandogfangethersomladedeatomer(kaldetioner)mellemvandmolekylerne(H2O)somudgrdenvskevikalderforvand.Forbordstaltet,NaClmolekylerne,bliveratomernedelt efter flgendereaktionNaCl Na+ +Cl, hvorsymboletNa+ angiverdenpolitivtladedeNatriumatom,kaldetenion,ogsymboletClhenvisertildennegativtladedeCloratom.Deterikkelngeremuligtatsedetfastesalt,fordidekemiskebindingersomholdtsaltetsammenerblevet'lsnet',ogharfetdentidligerefastestrukturtilatforsvinde,dadeenkelteatomernuerblevetlagtindmellemvandmolekylerne.

Generelt kan man sige, at nr enoplsning bliver dannet, ved at manoplser'noget'ienvskesvilvskensfrysepunktfalde.DetteergrundentilatvitilstterCalciumclorid(CaCl2)tilvoresvejeogfortorveomvinteren.Saltetbliveroplst i regnvandet og snker detsfrysepunkt,sderikkevilblivedannetisfr vandet er kommet et stykke undervandsfrysepunkt(0C).Denneeffektkanvises grafisk som i figur 2.1. Her hertemperaturen tegnet p den vertikaleakse (y) og mngden af salt oplst ivandet p den horisontale akse (x).Mngden af salt oplst i vand er herangivet i vgtprocent af den totaleflydendeoplsning.

5

Derertobegrebersomofterbliverbrugttilatbeskrivehvormegetafetstofsomerblevetoplst.En Natriumclorid vrdi p 10% (vgtprocent) kan kaldes for koncentrationen af salt ioplsningenelleroplsningens sammenstning.Lgmrketilifigur2.1atefterenbestemtmngdesalterblevetoplstioplsningen,stigerfrysepunktetpludseligganskekraftigt.Dennestrste sammenstningbliver kaldt for vskens eutektiske sammenstningog denvil bliveforklaretsenere. Kurverneviser hvorfordet er at foretrkkeat brugeCalciumclorid fremforNatriumcloridtilforebyggelseafispvejene.

fasediagrammer Den geometriske opstilling (molekylre struktur) af molekylerne i vander,gennemsnitligtdensammefrapunkttilpunktivandet.Vandetbliverkaldtfordenflydendefase.Psammemdeerdenmolekylrestruturiisdensammefrapunktilpunktiisen,ogisenbliverfaldtforenfastfase.Dogerdenmolekylrestrukturiisogvandermegetforskelligfrahinanden,deneneerflydendeogdenandenerfast.Derfor,flydendevandogisertoforskelligefaser.

Somvistifigur2.1sblivervandsfrysepunktsnketefterhndensomsaltbliveroplstivandetogdannerenoplsning.Denmolekylrestrukturisaltoplsningenerfaktiskdensammesomstrukturenirentvand,hvilketskyldesatsaltionerneliggerimellemH2Omolekylerneudenatforstyrrederesgeometriskeopstillingiforholdtilhinanden.Detrenevandogsaltoplsningen,somerlavetvedatkommesaltnedivand,ersammefase.

Ietfasediagramkanmanseforholdetmellemtemperaturogsammenstning,ogdetviserhvilkefaserderkaneksisterevedengiventemperatur/sammenstning.Figur2.2viserendelafvandcalciumcloridfasediagrammet.Psammemdesomifigur2.1,ertemperaturentegnetvertikalt(y)ogsammenstning(ivgtprocentsalt)tegnethorisontalt(x).

Liniensomviserfrysepunktfordenflydendesaltoplsningerdensammesomifigur2.1,mennuerdendelafliniensomkommerefterdetbrattefaldifrysepunktet,deteutektiskepunkt,tegnethelevejenoptilgrafenskant.Detskraveredeomrdemrket'vske'overlinienforfrysepunktetviseralledemuligetemperatursammenstningersomkanvreflydende.Lgmrketilatderydersttilvenstreidiagrammeterettyndtskraveretomrdesomermrket'fastis'.Dennefasteishar sammemolekylestruktursom is af rent vand, menderer i vandet oplst enmeget lillemngde salt. Det er samme fase som isen af rent vand. Dette lille omrde angiver hvor idiagrammetderforekommerfastis.

Ladossepensaltoplsningmed5%(vgtprocent)Kalciumcloridsomerkletnedtil40C(denlillecirkelifigur2.2).Dettepunktifasediagrammerliggerhverkeniomrdetmedflydendevskeelleriomrdetmedfastvske(is).Denneoplsningerved40C,derforikkefuldstndigflydende,mendenerhellerikkefuldstndigfast.Figur2.2viserenhorisontallinieved40CmedspidseendermrketAogB.Diagrammetfortllerosatdenne5%oplsningved40Cerenblanding af fast is med sammenstningen A (omkring 0.7% salt*) og flydende vand medsammenstningen B (omkring 28.3% salt). Med andre ord vi har 'sjap' og vi kan aflsesammenstningenafisenogvandetidenne'sjap'.Enoplsningsvarendetilethvilketsomhelstpunktidetskraverede'sjap'omrdeifasediagrammetvilvre'sjap'enblandingafvandogis.Hverafregionerneifasediagrammetfortlleroshvilkefaserderertilstede,idettetilfldeenfastellerflydendefase.Hvisvieri2faseomrdet(detskraverede'sjap'omrde)vildetligeledesfortllerossammenstningenafdetofaser,nrfrstviharvalgtengiventemperatur.Menhvisvi er i omrdet kun med 1fase fast eller 1fase flydende, fortller diagrammet os ikkesammenstningenaffasen,selvomvitagerenbestemttemperatur.Detviserkunatviharnogetsom er helt fast eller helt flydende. I disse tilflde vil sammenstningen vre et samletgennemsnitiheleoplsningen,ettalsomikkekanaflsesifasediagrammet.

Opsummeringafhovedpunkterneikapitel2.

1Enflydendeoplsningopstrnrensubstanssomf.eks.saltoplseienvdskesomf.eks.saltivand.Enfastoplsningerdetsammesomnrf.eks.salteroplstiis.

2Densubstanssomoplsesioplsningen(f.eks.saltiensaltoplsningellersomf.eks.kulistl)misterpdetnrmestesinidentitetogblivernuindlejretioplsningen.

3 Oplsninger har samme molekylre struktur eller atomare struktur fra sted til sted ioplsningen.Hverenkeltoplsningbliverkaldtenfase.

4 Etfasediagrameretkoordinatstsomvisertemperaturenpsinlodretteakse(y)ogsomviser oplsningen/koncentrationenp denhorisontale akse (x). Et fasediagramviser hvilkentemperaturogsammenstningengivenfasebestraf.

5 Et fasediagram viser ligeledes ogs temperatur/blandingsforhold for omrder hvor kunblandingeraffaserkaneksistere.Pfigur2.2viserdetletskraveredeomrdef.eks.hvorderkunkanbestslush(sjap)enblandingaffastisogvand.

* Denrigtigevrdier faktisk lavereend0.7%.Vrdienvarhvet forat denville vremeresynligpdiagrammet.

7

3StlogFeCfasediagrammet

Stl bliver fremstillet ved at man oplser kul i jern. Rent jern smelter ved en ekstremhjtemperatur1538C,ogveddentemperaturladerkulsigletoplseidetflydendejernogdannerhermed en flydende oplsning. Nr denne flydende oplsning strkner danner den en "fastoplsning"ihvilkenkulatomerneeroplstidetstrknedejern.Deenkeltekulatomerliggerihullernemellemjernatomerneidekrytallinskekorniaustenit(hjtemperatur)ellerferrit(lavtemperatur). Hvismngdenafkulsomeroplst i denflydendejernbliverholdtunder2.1%(vgtprocent)sharvistl,menhvismngdeneroverdennevrdisharvistbejern.Mankanfaktiskgodtoplsemereend2.1%kuliflydendejernmenikkeijernifastform.Dettefrertilenanderledes fast struktur for stbejern (jern med et samlet kulindhold over 2.1%), som ernrmerebeskrevetikapitel16.

Udoverkul(C)s indeholderallestlnutildagselementerneMangan(Mn)ogsm mngderurenhederiformafgrundstoffernesvovl(S)ogfosfor(P).Derforkanviegentliggodtbetragtestlsomenlegeringaf3elementer,bedstbeskrevetsom:Fe+C+C,hvorFeogCerdekemiskebetegnelser for grundstofferne Jern og Kul. X er s den totale mngde af ekstra legeringselementerogurenheder.IdeforendedestatererdeflestestlklassificeretefterenkodesomblevudvikletafAmericanIronandSteelInstitute(AISI).Stleneersomregelopdelti2kategorier:(1)renekulstl samt (2) legeringsstl. I renekulstl bestr Xkunaf Mn, SogP, hvorimod ilegeringsstlerderyderligeretilfjetenellerflerelegeringselementerudoversiddetreelementer.

Tabel3.1visersammenstningenaf2almindeligerenekulstl ogsomdukanse,s svarermngdenafkulistlettildesidste2cifreikoden.Manganindholdet(Mn)fremgrikkeafkodenogskalderforslesopientabel.Defrste2cifreafkoden:10,angiveratstleteretrentkulstl.Disse 2 cifre er noget andet for lereringsstl og listen giver et eksempel p et Chrom (Cr)legeringsstl.Legeringsstlenevilblivenrmereomtaltsenere.

Fasteoplsningerermagentildeflydendeoplsningersomblevomtaltiforrigekapitel,vedatefter en substans er blevet oplst, s er det ikke lngere muligt et f je p substansen ioplsningen, og den ser ud som fr man komsubstansennedivsken.Dettekanillustreresmedstlet i figur3.1.Til venstre i figurenharvi somudgangspunkt et rundt stykke jern med kun 3korn.Jernetblivernuomgivetafettyndtlaggrafitogvarmetoptil 1.000C ogefter nogle timer vilgrafitlagetvrevk.Kulatomerigrafitenharnuvandret ind i det faste jern ved en process somhedderdiffusion,sombliveromtaltikapitel7.

8

Alle kulatomerneharnuplaceret sig i de hullersom eksisterer mellem jernatomerne i den FCCaustenit som er til stede ved denne temperatur.Dennefasteoplsningafkul(C)ijern(Fe)kaldesforstl.

Figur1.3viserdeenkelteatomersplaceringiFCCgitteret.Forestildigathverenkeltsortprik(atom)nu vokser lige indtil de alle sammen rrer vedhinanden,s vil manf enmodelaf FCCgitteretsomvistifigur3.2.Deoppustedejernatomerrrernu hinanden allesammen diagonalt henover allekubensflader,ogdesmcirklervisernucentrumaf alle de sm hulrum som er mellem jernatomerne. Hvis man p samme mde nu ogspusterdissesmprikkerop(hulrum),svilmanseatderesmaksimalediamtersvarerti41.4%afjernatomernesdiameter.HvilketbetyderafXatomersomermindreendca42%afjernatomernesdiametervilkunnevreidissehulrum.Kulatomerersm,menderesdiametersvarertil56%afjernatomernesdiameteriaustenit.NrKulatomer(C)bliveroplstijern,svildeskubbejernatomerneenlillesmulefrahinanden.Jomerekulmanoplserijern,jomereviljernatomerbliveskubbetfrahinaden.Dererderforengrnseforhvormegetkulmankanoplseijern.

Historisknote:jernalderenkandaterestilbagetilomkring1000frvortidsregning,davoresforfrefrstlrteatreduceredestoremngderaf jernoxidsomertilstedeherp jorden,tilrentjern.Jernetblevfremstillet i ovne somblev opvarmet med trkul men de var ikke varmenok til at smelte jernet. Deproduceredeenjernsomkaldesforbloomerysomermagentilmodernesmedejern.Selvomdebrugtetrkulidisseovne,sblevkunenlilledelafkulletoplstijernet.Foratlavestlvarmanaltsndttilattilfjekultilstlet.(Selvivortidkandetikkebetalesigrentkommiskatlavestldirekteudafjernmalm.Manbruger for en 2 delt process. Frst laver manen jern somkaldes for rjern. Derefter reduceresmngdenaf kul indtil manhardet nskedekulindhold i stlet) Vores forfdrekendte ikke til kulletsegenskaberfromkringr17801790,ogstlogstbejernspilledeenvigtigrolleidetsopdageslse.Heltoptildenneperiodeblevstlprimrtfremstilletvedatensmedopvarmedebloomeryietkulfyretindsted.Denneproceserbestemtikkelet,daetkulfyretildstedkantilfjekultiljernetligesletsomdetkanfjernedenigen(seside63).Helttilbagefrastartenafjernalderenblevstlderforsomoftestfremstilletvedettilflde,ogkvalitetenvarderforogsmegetvarierende,ogdesmedesomhavdeheldmedatlavestlrbedeikkederesmetodertilandre.

Irentjernerforskelleniferritogaustenitenforskelideresatomstruktur.Somvistifigur1.2og1.3,erjernatomerarrangeretmedenBCCkrystalstrukturiferritogenFCCkrystalstrukturiaustenit.Ibdeferrigkornogaustenitkornerstrukturendensammeoveraltisammekorn.Psammemdesommedisogvandiforrigekapitelerbdeferritogaustenitderforforskelligefaser.

9

Ren austenit og austenit somindeholder oplst kul er sammefase. Austenit med oplst kul ogferrit medoplstkulerderfortoforskelligefaser,sombeggeerstl.

Hypoeutectoid stl stl medlavt kulindhold FeC fasediagrammet viser os entemperatursammenstningsoversigt,ihvilkenvikansehvorvikan forvente at finde ferrit ogaustenit. Det viser ligeledes ihvilkeomrdervikanforventeatfindeblandingerafdetofaser,psammemdesommed'sjappet' iis/saltfasediagrammet.EndelafFeC fasediagrammet er vist ifigur3.3,ogsommankanseserderstorelighedermellemdetteogsaltdiagrammetifigur2.2.Irentjern,vil austenittransformerestil ferrit vednedklingtil 912C.Denneovergangstemperaturbliver kaldt for A3 temperaturenogdiagrammet viser at ligesomtilstningenaf salt til vandsnkerfrysepunktetforvand,sviltilfrelsenafkultiljernsnkeA3temperaturen.Dettepunkthvorsalt/vandetnrsitlavestmuligtsmeltepunktkaldesfordeteutektiskepunkt.Etlignendepunktfindesogs forFeC,menherbliverdetkaldtfordet eutektoide punktogog pearlitpunktet.Deteutektoidepunktharetindholdp0.77%Cogstlmedindholdmindreenddennemngdebliver kalde for undereutektoide stl somvist i titlen til figur3.3. DeneutektoidetemperaturbliverkaldtforA1temperaturen.

Stlsomer100%austenitharentemperatursammenstningsomliggeridetverstemrkearealvist i figur3.3.Stl somer ferritiskharentemperatursammenstningsomligger idethjeslankeomrdeheltudeivenstresideifigur3.3.Denstrstmuligemngdekulsomdetermuligtatoplseiferritiskjernerkun0.02%,ogdetskerveddeneutektoidetemperaturp727C.Detbetyderatferritsdanseterrentjern,dadetjoaltidvilvre99.98%rentellermeremedhensyntilkul.Lgdogmrketilataustenitkanoplsemegetmerekulenferrit.Veddeneutektoidetemperaturkanaustenit oplse0.77%C,hvilketercirka38gangemereendhvadferrit kanoplse vedsamme temperatur. Austeniten kan indeholde mere C end ferriten fordi, hullernemellemjernatomerneerstrreiFCCstrukturenendiBCCstrukturen.

I Salt/vand fasediagrammet viste det skraverede 'sjap'omrde ved hvilke temperatursammenstningermankunneforventeatfinde'sjap':enblandingafvandogis.Psammemdeviser det skraverede omrde i midten af figur 3.3, mrket ved hvilke temperatursammenstningerstlvilvreenblandingafferritogaustenit.Forestildigatdetvarmuligtatkikkepprvemedetkulindholdp0.4%C,somvarpoleretogtsetogmedentemperaturp760Cietoptiskmikroskop.

10

Da denne prves temperatursammenstningliggerindenfordetskraveredeomrdeimidtenaf diagrammet, s m denndvendigvis vreenblandingafferritogaustenit.Detmanvillese ville vre en blanding af ferritkorn ogaustenitkorn, somvist nederst i figur 3.3. Ifasediagrammet kan man ligeledes findeinformation om sammenstningen af de tofaser. Austenitkornene vil havesammenstningenNogferritkornenevilhavesammenstningenMifigur3.3.

Foratvisehvadmankanbrugeetsdanfasediagramtil,viljegkommemedeteksempel.Etstl med et indhold p 0.4% C bliver frstvarmet op til 850C og holdt ved dennetemperaturica10min.EfterdennekortetidvilallekornenebestafrenFCCaustenitkornmedensammenstningp0.4%kul(C).Foratgredetssimpeltsommuligtskaldunuforestilledigatvikikkerpdettevarmestlietmikroskopogatvikunkanse3kornsomvistifigur3.4.Nusnker vi temperaturen til 760C og prvens temperatur vil nu langsom falde til dennetemperatur.hvadskerdersmedmikrostrukturen?Fasediagrammetviserosatefternedklingsvilstletblive2faset,enblandingafaustenitogferrit.Eksperimenterviseratdenferritsombliverdannetidenreneaustenitefterhndensomdenklerned,stortsetaltidvilblivedannetiaustenitenskorngrnser.Detteerillustrereticirklenmedmikrostrukturentilhjreifigur3.4,hvorferritenhardannetetantal kornlangsdetidligereaustenitiskekorngrnser.Hvismansammenlignerstrukturenihjresideaffigur3.4meddenibundenaffigur3.3,skanmanseforskelleogligheder.Deerensfordiatdebeggeindeholderenblandingafferritogaustenitogidetsammeblandingsforhold.Menforskellighedenliggeriatferritkorneneliggerspredtpenheltandenmde.mikrostrukturenifigur3.3vilnormaleblivedannetvedopvarmningafstletfrastuetemperaturtil760C.Detteviserenafdeinteressantetingvedstl,mankankontrollerermikrostrukturenvedhjlpaf varmebehandling. Med mikrostrukturen henviser mantil denspecifikke form, strrelse, fordeling og fasetypen p de forskellige korn i stlet. Husk p atfasernesomertilstedeifigur3.3og3.4kunertilstedevedhjetemperaturerover760Cogikkevedstuetemperatur.Viskalsenerekommetilbagetilstlvedstuetemperatur.

HypereutectoidstlstlmedhjtkulindholdEfterhndensommngdenafkulsomeroplstiaustenitstiger,sbliverjernatomerneskubbetlngereoglngerefrahinanden.DettemedfrerenstrkningafdenkemiskebindingsomholderFeatomernesammenoggenererernuenformforenergi kaldetbelastningsenergi.Dererengrnseforhvormegetbelastningsenergiaustenitkanmodst.Denmngdekulsomeroplstiaustenitenn dennegrnseer net kaldes for oplsningsgrnsen. Sprgsml: Oplsningsgrnsenforaustenitved820C er1%(vgtprocent)kul.Hvismannulaverenlegeringsomindeholder1.5%kulogvarmerdenoptil820Csvilkun1%afdisse1.5%kulvreoplstiausteniten;hvadskermeddenresterende.5%kul?Detoverskydendekulbliver

11

indlejret i en ny fasekaldet cementit. Dennenye fase, cementit,adskildersigfraferritogaustenit p et vigtigtpunkt. Deteretkemiskstof som kun kaneksistere i eensammenstning.Kemiske stoffer ergenerelt reprsenteretved deres kemiskesammenstning somf.eks. NaCl, forNatriumClorid(bordsalt).Den eneste kemiskesammenstning derfindes for NaCl er 50vgtprocent Natrium og39.3 vgtprocent Clor.Den kemiske formel forcementit er Fe3C. ForhverenkeltCatom(kul)erder3Featomer(jern).restenmangler?Mngdenafkul icementiter6.7%(vgtprocent).Udoveratcementithardennebegrnsningvedkunathaveeenmuligkemisksammenstning,shardetgodogsvisselighedermedbdeferritogaustenit.Deter et krystal som har sine atomer arrangeret i fast gentaget geometriske rkker. KrystalstrukturenerenanelsemedkompliceretendbdeBCCstruktureniferritogFCCstruktureniaustenit,mendenervelkendt.Derudovererdetogssinheltegenfasesomvisersigvedsmdiskretesphriske(kugleformede)kornioplsningen.Derfordeoverskydende0.5%kulivoresstlved820Cvilvretilstedeistletsomsmseparatecementitkornspredtudiaustenitkornene,ogmikrostrukturenvilderforvreen2faseblandingafaustenitogcementit.

Dererifigur3.5vistetfasediagramsomerudviddetsdetogsviserdetomrdehvorcementitbliverdannet.Somtidligereeromrdetptemperatur/sammenstningsdiagrammet,somviseromrdethvorder forekommeraustenit skraveretmedmrkt. Dacementit kunhareenmuligkemisk sammenstning er det vist i diagrammet med en lodret streg veddenne ene muligesammenstning,nemlig6.7%kul(vgtprocent).Lgmrketilatderpxaksenervistensiksakliniemellem1.2%og6.7%.Dennelinieviseratderudeladtnogetafdiagrammet.Hvisdenneudeladelseikkehavdevretforetagetvillediagrammetvrecirka30cmbredere.Manskalaltsforestillesigat6.7%linienivirkelighedenerca30cmudetilhjre,hvilketjogiveretmegetstortomrdehvorderkanforekommegammajern(austenit)ogcementit.DenlinieidiagrammetsomermrketAcm visergrnsenforkulsoplsningsgrnseiaustenit.Lgmrketil at820 Ckrydserdennelinieved1%(vgtprocent)kul, hvilketergrnsenforhvormegetkulderkanoplsesiaustenitved820C.LegeringermedetkulindholdtilhjreforAcmeridetletskraverede2faseomrdemrket +Cmogindeholderderforenblandingafaustenitogcementitkorn.Betragtet1095stl(0.95vgtprocentkul)

12

modtaget fra et stlvrk. Hvis dette stl nuvarmesoptil760Csvildetbefindessigvedcirklen i diagrammet (figur 3.5) som blivergennemskret af enhorisontal linie med pil ibegge ender. Fordi at dette punkt(temperatur/sammenstning)nuliggeridetletskraverede 2faseomrde mrket + Cm, svedviatdettestlbestrafensammenstningaf blanding O (0.85% kul) og cementit medblanding P (6.7% kul). Hvad diagrammetderimod ikke fortller os, er hvordanmikrostruktureneristlet.Eksperimenterviseratmikrostrukturenvilvresomdenderervistnederstifigur3.5.Detvisersigatalcementitenvil vre til stede i formaf sm kugleformedekornogjvntfordeltrundtomkringideendnustrreaustenitkorn,somerkarakteriseretvedderestypiskebuedekorngrnser.

Foryderligereatvisehvordanetfasediagramkanbrugestilatforsthvordanmikrostrukturenietstlndresigundervarmebehandling,skalduforestilledigdette:Et1095stlblivervarmetoptil850C,ogholdtveddennetemperaturica.20minutter.Somdetfremgratfasediagrammetifigur3.6svildettepunktitemperatur/sammenstningsdiagrammetliggeindeienkeltfaseaustenitomrdet.Hvisvinuhavdevretistandtilatobserverestrukturenafdettevarmestlietmikroskopvedkraftig forstrrelse, s ville det muligvis kunbest af 3kornsomville seudnogenlundesomvistifigur3.6.Temperaturenpdettevarmestlblivernusatnedtil760Cogdenne temperatur/sammenstning ligger nu i 2fase (austenit + cementit) omrdet. Dettemedfreratcementitkornvildannesundernedklingen.Psammemdesomforhypoeutektoidstlifigur3.3,hvorferritdannesikorngrnsenmellemaustenitkornene,sdannesdernucementitkornikorngrnsernemellemaustenitkorneneundernedkling.Somvistifigur3.6svilslutresultatetvreenmikrostrukturhvoratdetidligereaustenitkorngrnserfrastrukturenved850 Cnuvilvrefyldtudmedtyndepladerafcementitkorn.Lgmrketildenstoreforskel i mikrostrukturen som vist i figur 3.5 hvor 1095 stlet blev varmet op direkte frastuetemperaturtil760C.Beggemikrostrukturerindeholdersammeblanding/mngdecementitogaustenit, mendistributionenaf cementit i austenitener ganskeanderledes. Til forskel fraaustenitogferritsercementiterskrt.Derforvilden1095stlsomervistifigur3.6medsinemellemliggendeCmpladerikkevretligessejsomdenderervistifigur3.5somindeholdercementit i format sm kugleformede korn. Dette er endnuet eksempel p hvordan varmebehandlingkanndremikrostrukturen,somsigenndrestletsmekaniskeegenskaber.

Eutektoidstl(Pearlit)Ideforegende2afsnitharvisetpstlsomhavdeensammenstningentenoverellerunderdeteutektoidepunktp0.77%(vgtprocent)kul.Detvisersigatstlsomharensammenstningpnetop0.77%kul(f.eks.1077stl),frembringerenganskeunikmikrostrukturkaldetPearlit.Figur3.7viserFeCfasediagrammetmedomrdetunderA1linienp727 Cskraveretmrkt.Heledettestoreskraveredeomrdeeret2faseomrde.Ethvilketsomhelststlsomlangsomtbliverkletnedtiletstedidettetemperatur/sammenstningsomrdevilbest afenblandingaf2faser;ferritogcementit(+Cm).

13

Mikrostrukturen af stl i dette omrde kanvariereganskemeget og Pearlit er bloteenafdisse mange strukturer. For at forstmikrostrukturenafPearlitskalduforestilledigatdetetmuligatsepmikrostrukturenafet1077stlietmikroskopved800C.Somvistifigur 3.7, s vil stlet udelukkende best afaustenitkornefterblotetparminutterved800C.EfternedklingtilentemperaturunderA1,vil austeniten efter ca 5 til 10 minutter vedsamme temperatur, vre fuldstndig erstattetaf en ny slags korn; Pearlitkorn, som detfremgraffigur3.7.TilforskelforalledekornsomvihartaltomindtilnuserPearlitkornikke1faset.Debestrderimodafenblandingaftofaser(+Cm)medenheltunikmikrostruktur.ForrigtigtatkunnesestruktureniPearliterdetndvendigtatforstrreendelafetPearlitkornganskekraftigt,somdetervistnedersttilhjreifigur3.7.Strukturenbestrafpladerafskiftevisferritogcementit.Ferritpladerneoptagerhele90%afvolumethvorcementitpladernekunoptager10%afvolumet.Ipearlitenskorngrnsererdettydeligtatsedenskarperetningsndringdereripladernesorientering,somdetf.eks.ervisti figur 3.8 som er et rigtig prve taget med et transmissionselektronmikroskop med enforstrrelsepikkemindreend11.000x.Idettebilledfremstrcementitensomdetlyseogferritensomdetmrke.(LgmrketilatCmpladernebloter1mtykke,hvilketeraltfortyndttilatkunneblivesetietalmindeligtoptiskmikroskop.TiltrodsforatCmerskrt,serpearlitikkeskrt,hvilketprimrtskyldesCmpladernesringestrrelse.)

Hvisdette1077stlnublevnedkletfra700Csomvist i figur 3.7 til stuetemperatur, s villemikrostrukturenikkendresignvnevrdigtuansethvor hurtigt eller langsomt stlet blev nedklet.Ferriten vil forblive med at vre BCCjern med enoplsningp mindreend0.02%kulogcementitenskrystalstruktur vil forblive undret med 6.7%(vgtprocent) kul. Fasediagrammet fortller os atnrfrstausteniterkletnedunderA1temperaturenogholdtherienkortperiode,svilaustenitenblivefuldstndigterstattetafenellerandenformfor +Cmogvedyderligerenedklingtilstuetemperaturvilder ikke ske yderligere ndring i + Cmmikrostrukturen. Der vil aldrig forekomme austenitvedstuetemperaturirentkulstl.*Dettebetyderatmikrostrukturer som indeholder austenit som f.eks.vistifigur3.2til3.5,kunkan"ses"ietmikrokopvedhjetemperaturer,daaustenitenvilbliveerstattetafandrestrukturervednedkling.Vedhjenedklingshasighederindbefatterdetteogsmartensitogbainitsomeromtaltlngerenede.Vedluftklingellernogetdererlangsommerevilaustenitbliveforvandlettilenellerandenformfor+Cm._________________________________*Enundtagelsetildenneregelerbratkletstlmedhjtkulindhold,somindeholderblandingerafmartensitogindespndtaustenit.

14

A1Ae1Ac1Ar1Nomenklatur(r=refroidissement(nedkling)ogc=chauffage(opvarmning))FeCfasediagrammernevistideovenstendefigurerbliverkaldtfor ligevgtsfasediagrammer.DettebetyderatdeovergangstemperaturersombliverangivetvedhjlpafAlinierneerblevetfastlagtvedekstremtlangsommenedklingsogopvarmningstiderhvorvedenligevgtstilstandblevopnet.DeA3,AcmogA1liniersomnormaltertegnetiligevgtsfasediagrammereroftemrketAe3,AecmogAe1hvore'etangiveratderertaleometligevgtsfasediagram(equilibrium).Idennebogvile'etdoggenereltbliveudeladt.Udeladelseafdetteebetyderderertaleomenligevgtstilstand.

Lados igensep eksperimentet somer illustreret i figur3.7. Diagrammet forudsiger at nraustenitkornbliverklettil727Csvilaustenitenbegyndeatbliveomdannettilpearlit.Mendettevilkunvrerigtigthvismannedkleraustenitenekstremtlangsomt.Selvvedlangsommenedklingstidersomf.eks.3C/minvilovergangstemperaturenblivesnketmedomkring20C.Dette betyder at FeC diagrammet kun kan blive brugt som vejledende ved fastlggelse afovergangstemperaturer. Det er ikke kun Overgangstemperaturen fra austenit til pearlit vednedklingsomharflytttesignedad,overgangstemperaturenfrapearlittilaustenitharligeledesflyttet sig opad. For at give dig en id om strrelsen af denne ndring ved nedkling ogopvarmningoghvordandenkanblivemlt,harviforetagetflgendeenkleeksperiment.Ethulblev boret i et stykke 1018 stl og et bimetaltermometer blev fastgjort i hullet. signalet fratermometret blev mlt hver anden sekundt og sendt til en PC som s lavede en fil medtemperaturernemltovertid.Prvenblevsindsatienlilleresistansvarmeovnogvarmetoptil870Cogderefterfjernetfraovnenigen.Signaletfratermometretunderbdeopvarmningsognedklingsperiodenervistifigur3.9og3.10.

Somforklaretikapitel1,nraustenitndresigtilferritvednedklingbliverderfrigivetenergiognrferritndresigtilaustenitbliverderabsorberetenergi.Ladosfrstsepopvarmningskurvenifigur3.10.Somviskaltaleomikapitel5og7,sbliverA1ogA3linierneidetreneFeCdiagramflyttetnedi temperaturp grundafde0.75%Mnog0.2%Sisomertil stede i1018stl tilvrdierneA1=725CogA3=824C.Opvarmningskurvenifigur3.10viseratomkring737Cerderetkortopholditemperaturstigningen.Detteerpgrundafdenvarmesombliverabsorberetafstlprvenfordiatpearlitenndressigtilaustenit.detbetyderatA1linienerhvetmed12Cfra725Ctil 737C.DeteralmindeligbrugatmrkedenfaktiskeovergangstemperaturvedopvarmningmedAc1 somvistifiguren.Dettetemperaturskiftopadafhngeratopvarmningshastigheden.Hvisopvarmningshastighedenblevhvettilmereend40C/minsvillevrdienforAc1 ogsstige.Vednedklingskerdetmodsatte, denvarmesombliverfrigivetnraustenitndresigtilferritellerpearlitsnkertemperaturfaldetiprven.Figur3.9viserdenneeffektbdeforaustenitferritomdannelsenunderA3temperaturenogaustenitpearlitomdannelsenunderA1temperaturen.Denfrstetransformationbegynderved762Chvilketer62CunderA3temperaturenp824Cogdennstetransformationerfinderstedved652Chvilketer73CunderA1 temperaturenp725C.Somvistifigur3.9erdetalmindeligtatmrke defaktiskeovergangstemperaturer ved nedkling med Ar3 og Ar1 temperaturerne. Lg mrke til atnedklingshastighedenifigur3.9er3gangehurtigereendopvarmningshastighedenifigur3.10.

15

DenneforskelerrsagentildetstoreskiftiA1temperaturenp73Cvednedklingenmenkun+12Cvedopvarmningen.(Diagrammetifigur3.10viserikkenokafkurventilogsatviseA3temperaturensomogserkaldetAc3temperaturen).

Historisknote:Denfranskevidenskabsmand,FlorisOsmond,somfandtpnavnetmartensitfandtogspatbrugebogstavernerogcforndringeniAliniernevednedklingogopvarmning.Islutningenafdet19'enderhundredevarhandenfrstevidenskabsmandtilatbrugethermocoupleretilatmleeffektenafopvarmningsognedklingshastigheden. Bogstavet r er for det franske ord for kling,refroidissementogbogstavetcerfradetfranskeordforopvarmning,chauffage.

Figur 3.11 viser en grafisk opsummering afovenstende og viser stigningen i Alinien vedopvarmningmedsubskriftenctilfjetogfaldetiAlinienvednedklingmedsubskriftenrtilfjet.Dissendringer i overgangstemperaturen kan vre retvigtigeiarbejdersomindebrerhurtigopvarmningognedkling.Processorsomflammeoginduktionshrdning er eksempler p stigning i overgangstemperaturenvedopvarmning.

Referencer

3.1MetalsHandbook,bind7,8'endeudgave,ASMMetalsPark,Ohio,(1972).3.2HeatTreatersGuide,2.udgave,ASMInternational,MaterialsPark,Ohio(1995).

16

Opsummeringafhovedpunkterneikapitel3.

1 IUSAerstlmrketefterAISI(AmericanIronandSteel)kodningen.Somvistitabel3.1,fortllerdennekodeoskulindholdetogomstleterenlegeringsstlelleromdeteretrentkulstl. Maner ndt til at sl op i en referencetabel som f.eks. [3.2] forat findedenprcisesammenstningafstlet.

2Manlaverstlvedattilfjekultiljern,ogdeprimrestruktureristlerdesammesomdemdererirentjernsomomtaltikapitel1,nemligferritogaustenit.Vedetlavtkulindholdistleterkulletoplstijernetogdannerenfastoplsningsomvedlavetemperaturerhedderferrit(BCC)ogsomvedhjetemperaturerhedderaustenit(FCC).VEdethjtkulindholdbliverderdannetennystrukturistletkaldetcementit,Fe3C.Disse3strukturerbliverkaldtforfaserogjernkulfasediagrammetviserdeforskelligetemperatur/sammenstningsvrdierhvorde3forskelligefasererstabile.

3Jernkulfasediagrammetermagentilsalvandfasediagrammerikapitel2.Efterhndensommantilfjer kul til jernet falder overgangstemperaturenaustenit ferrit fra 912Csomervrdien for rent jern, til vrdien 727C. Efter denne laveste temperatur siger overgangstemperaturennuigenogcementitbegynderatblivedannet.Denneminimumstemperaturskervedetkulindholdp0.77%ogbliverbenvntdeteutektoidepunkt.

4Deteralmindeligtatklassificerestlmedetkulindholdunder0.77%somhypoeutektoidstlogstlmedetkulindholdover0.77%somhypereutektoidstl.

5Efterhndensomethypoeutektoidstlklernedfraaustenitomrdet,svilderbegyndeatdannesigsmferritkornidegamleaustenitkorngrnser.Underdentemperaturvedhvilkenferritbegynderatblivedannet(A3)ogoverdeneutektoidetemperatur(A1) vil fasediagrammetstteosistandtilatberegneflgende:(1)hvorstorenvolumenferritsombliverdannetog(2)sammenstningenafbdeferritenogdenresterendeaustenit.

6Nrmantalerometstlmikrostrukturstalermanomstrrelsen,formenogdistributionenafdefasersomstletbestraf.Mikrostrukturenietstlbliverbestemtafstlet'historie',altshvordandetharvretopvarmetognedkletsamthvilkenmekaniskdeformationdetharvretudsatfor.

7Efterhndensomethypereutektoidstlnedklesfraaustenitomrdet,svilderbegyndeatblivedannetcementitkornidetidligereaustenitkorngrnser.Cementiterensammenstningafjernogkulmeddenkemiskeformel,Fe3C.Ligesomaustenitogferritercementitenfase,somoftestiformatsmkorn,derdetadskildersigfraaustenitogferritvedkunathaveeenmuligsammenstning,nemlig 6.7%(vgtprocent) kul, desudenerdetmegetskrt. Underengiventemperaturvedhvilkencementitbegynderatblivedannet(Acm)ogsammtidigoverdeneutektoidetemperatur (A1), vil fasediagrammetstteos i standtil af beregneflgende: (1) hvorstor envolumen cementit som bliver dannet og (2) sammenstningen af bde cementiten og denresterendeaustenit.

8Nretstlmeddeneutektoidesammenstningp0.77%(vgtprocent)kulblivernedklettilunderdeneutektoidetemperaturp727C,svildetdannepearlitiskmikrostruktur.

17

Pearlitbestraf2fasekornsomersammensataftyndepladerafferritogcementitsomliggerskiftevisovenphinanden.pladernestykkelseafhngerafnedklingshastighedenogiluftkletprver er cementit plader s tynde at det ikke er muligt at se dem i et almindeligt optiskmikroskop(mindreend0.2mikrometer).

9De3vigtigelinieietFeCfasediagramermrketsomflger:A3eraustenitferritovergangslinien,Acm eraustenit cementitovergangslinienogA1 eraustenit pearlitovergangslinien.KunnropvarmningenellernedklingenermegetlangsomskerovergangenvedAcm, A3 ogA1temperaturernesomeroplystiligevgtsfasediagrammet.Vednedkling(refroidissement)flytterovergangslinienneditemperaturogsubskriftenrblivertilfjet,Ar3,ArcmogAr1.Vedopvarmning(chauffage)bliverovergangslinienflyttetopitemperaturogsubskriftencblivertilfjetAc3,AccmogAc1. Strrelsen p temperaturstigningen/temperaturfaldet afhnger af med hvilken hastighedopvarmningen og nedklingen sker. stigningen/faldet er ret stort selv ved sm ndringer iopvarmningsognedklingshastighedensefigur3.9.

18

4Deforskelligemikrostruktureristlvedstuetemperatur

Detoptiskemikroskoperdetprimrevrtjtil atvisedenindrekornstrukturistl. Deteralmindeligtatkaldedenstruktursomkansesimikroskopetformikrostrukturen.Demekaniskeegenskaberietgiventstlerkraftigtafhngigafstletsmikrostrukturogdettekapitelsepdemestalmindeligemikrostruktureroghvordanmanopnrdissevedvarmebehandlingafstlet.Detidligerekapitleromhandlededenmikrostruktursomeristl vedhjetemperaturer,hvordetgenerelt ikke er muligt at se mikrostrukturen i et mikroskop. Dette kapitel omhandler kunmikrostrukturer ved stuetemperatur, sdansomde kan observeres i optiske mikroskoper ogelektronmikroskoper.

BillederafstlkornioptiskmikroskopSomomhandletikapitel1erkornstrukturenijernogstlsynliggjortvedpoleringafoverfladensdennebliverspejlblank,efterfulgtafentsningiensyreoplsningogtilsidstenundersgelseiet optisk mikroskop. tsningen fjerner atomer fra denpolerede overflade, og denhastighedhvormedatomerbliverfjernetafhngerbdeafkrystalletsorienteringi kornetsamttypenafkorn,f.eks.ferritelleraustenit.Grhedenafetgivenkornsomkansesimikroskopet,afhngerafglathedenikornetsoverfladeeftertsningen.Somvistifigur4.1,vilkornsomer1fasetsomf.eks.ferrit,austenitogcementitallefderesatomerfjernetligemegetfrapunkttilpunktogoverfladenafhelekornetvilforbliveglatogseftertsning.

I et optisk mikroskop bliverbilledet dannet ved reflektion aflyset fra en lyskilde. En lyskildebliver rettet ned imod overfladenafprven(dehvidepileifigur4.1)ogetbilledbliverdannetentenpenfilmeller i betragterensjeafdet reflekterede lys. Figur 4.1bruger en symbol der skal visejets placering direkte oven overprven, og som viser den lysvinkelhvoribilledetblivetdannet.Det reflekterede lys er vist medmrke pilespidser. Ved enblank/glatoverfladebliverenstordel af lyset reflekteret tilbage tilbeskuerenoggiverderforetklart(hvidt) lys. Derfor vil enkeltfasekornsombestrafferrit,austenitog cementit fremst med enklarhed i den lyse ende af grskalaen. Dadealle ofte fremstrmegetlyse,erdetofteikkemuligtat skelne dem fra hinanden vedhjlpafdereslysstyrkeudenathaveyderligereinformation.

19

Hvads medpearlit? Demestalmindelige former fortsningbrugtpstlernital(nitricsyreialkohol)ogpicral(picricsyrei alkohol) tsning. Disse syrer tser ferritpladerne i pearlitmeget hurtigere end cementitpladerne. Derfor vil cementitpladerneefterentsningrejsesighjereopfrakornetsoverfladeendferritpladerne.Cementitpladerneermegettyndeogfineogdesprederlysetvkfrabeskuerensjne,(sefigur4.2)hvilketgiver indtryk af en mrkere overflade. Pearlit vil derfor oftestfremstifarvespektretgrtilmrkietoptiskmikroskop,menikke altid. Hvis afstanden mellem cementitpladerne ertilstrkkeligstorvil detvremuligtatobservereCmpladernesommrkelinier,ogimellemdissevildersvrehvidferrit.Ietoptiskmikroskoperoplsningenikkebedreendatdetnetopermuligtafsetingmedenstrrelsepca0.2 mhvilketskervedenforstrrelsepomkring1.000x.Derfor,nrpladeafstandenipearlitenblivermindreend0.2msvildenietoptiskmikroskopfremstsomspragletgr/sortsomvistifigur4.3.Afstandenmellemcementitpladerneipearlitafhngerafhvorhurtigtprvenbliver nedklet fra austenitomrdet og ned forbi A1 temperaturen; hurtigere nedkling giverfinere/mindreafstand.Denvelnokmestalmindeligemdehvorp ensdannedklingforetages, er vedganskeenkelt at tageprvenudafovnenog ladedenluftafkle. Afklingshastighedenafhngerafhvorstor prven er. Selv med ret store prver som bliver luftafklet vilafstandenmellemcementitpladerneblivemindreend0.2m.Derforvilpearlitistlprversomerblevetluftafkletstortsetaltidfremstmedenmrk/sortfarvesomvistifigur4.3.Picaltsningensomerbrugtifigur4.3oplserferritmereenstiltrodsforkrystallerneforskelligrettedeorienteringerendennitaltsningvilgre.Derforgiverpikalenmereensfarvetgroverfladeendnitalogerderfordenforetruknetsningtilvisningafpearlit.

Mikrostrukturenihypooghypereutektoidstlvedstuetemperatur

Ladosprveatsep eksemplet i figur3.4 igen, hvor austenit med 0.4% kulbliverkletnedfra850Ctil760C.Detblevhervistatdenstruktursombliverdannetefterensdannedklingvilbestaf tynde plader af ferritkorn, som nuligger i det omrde som tidligere varkorngrnsen mellem kornene iausteniten. Disse korngrnsersomnuer blevet erstattet af ferritlag blevtidligere dannet ved 850C. Detsprgsmlsomvinuskalstilleosselver;Hvadvil der nuskemedderesterendeaustenitkorn, hvis prven bliver kletnedtilstuetemperatur?

For bedre at kunne svare p dettesprgsml er det bedst at opdelenedklingeni3trinstartendefra760C.Prvenbliverfrstkletnedtil740C,

20

dereftertil 727C(A1 temperaturen)ogtilsidstbliverdenkletnedtilstuetemperatur.Denforegendeanalyse(figur3.4)visteatdenaustenitsomertilstedeved760CheretkulindholdafstrrelsenN,hvilketogservistifigur4.4.Efter frste nedkling fra 760C til 740C, viser fasediagrammet at kulindholdet i austeniten nuer steget tilvrdienN',somvistifigur4.4.Efterdenandennedklingtil727Cerkulindholdetiaustenitkornenendttilatstigeyderligere,njagtigtildeteutektoideblandingsforhold(ogsbenvntdetpearlitiskeblandingsforhold)p0.77%(vgtprocent)kul.Pdettetidspunktvilmikrostrukturenistletfremstsomvisttilvenstreifigur4.5.Denenestetydeligeforskelmellemdennestrukturogdenvistnedersttilhjreifigur3.4,eratdetyndeferritkornerenlillesmuletykkere.Mennuliggerkulindholdetiaustenitkornenepdetmagiskeeutektoidpunkt,nemlig0.77%kul,ognudisseaustenitkornveddenendeligenedklingtransformeresigtilpearlitkornoggiveenmikrostrukturmagentilden vist til hjre i figur 4.5. I et optiske mikroskop vil de gamle/tidligere austenitkorn nuallesammenfremstmrkefordideertransformerettilpearlit,ogferritkornenevilfremsthvideogdevilderfornufremhvepearlitkornene.Figur4.6viseretrigtigtmikrobilledeafensdanstruktur foret1060stl. Fordiat ferritenbliverdannet fr pearlitenogfordipearlitenbliverdannetved727C(deneutektoidetemperatur),s bliverdenneferritoftekaldt proeutektoidferrit. (Deterlettereatforsthvorforkulprocenteniausteniterndttilatstigevednedkling,hvisduhuskerpatferritnstenikkeeristandtilatoptagekul.Vednedklingi2faseomrdetvilmngdenafdannetferritstige.Nrdetteferritdannesudfraaustenit,sbliverdetoverskydendekulpressetoveridenaustenitdernumttevretilbage,ogderforvil kulindholdetstigeidetaustenitderertilbage.DennestigningkandogIKKEoverstige0.77%kul,forveddennegrnsevilaustenitentransformerestilpearlitvedyderligerenedkling,ogpearlitharetgennemsnitligtindholdafkulp0.77%)

Ladosnusep etstl medetkulindholdp mereend0.77%ethypereutektoidstl.Etudbredtogheltrentkulstl er 1095 stlet (ogs kendt som 'drill rod' eller W1vrktjsstl).Efteropvarmningtil850Cerdetsplaceringsomvistitemperatur/sammenstningsdiagrammetifigur4.4.Detblivernunedkletover3gangepsammemdesom0.40%Cstletsomovenforbeskrevet.Denforandringsomskeri1095stleternstenmagentildensomsketei1050 stlet bortset fra, at den nye fase somnu bliverdannetidetidligereaustenitkorngrnserikkelngereerferrit mencementit. Ved760Cvil der nudannes tyndepladeformede korn af cementit i de tidligere austenitiskekorngrnser, og austenitkornene vil nu havesammenstningenOsomvistifigur4.4,pomkring0.85%kul. Ved 850C havde austenitkornene det oprindeligekulkindholdp 0.95%.Dette indholder nureduceret til0.85%kulefteratCmerblevetdannet,fordicementitsomjoharetkulindholdp6.7%,erndttil at opsugekulatomer fraaustenitenefterhndensomdenbliver dannet. Vednedklingtil740CvilderblivedannetyderligereCmogaustenitenskulindholdfaldernutilpunktetO'.VedyderligerenedklingtilA1temperaturenp727Cvilaustenitenskulindholdnuvretfaldettildeneutektoidesammenstningp0.77%kul.Hvisdetvarmuligtatsedennestrukturien'varm'prveietmikroskop,villedenseudsomibilledettilvenstreifigur4.7,somermagentilbilledetifigur 4.5, dog ville austenitens korngrnser ikke vret skiftet ud med ferrit men derimodcementit.Vednedklingtilunder727Cvilaustenitkornetransformerestilpearlitstruktursomvisttilhjreifigur4.7,ogdennestrukturvilikkendresigvedyderligerenedkling.

21

Ogdetvilderforseudpsammemdeietmikroskopvedstuetemperatur,somdetvillegrehvisvikikkedepen'varm'prve(ved727C)ietmikroskop.Figur4.8viseretoptiskmikrobilledeafenrigtigprveafetstykke1095stl, somharfetdenvarmebehandlingsomervist i figur4.4, ved frstat bliveholdt ved850Cforderefteratbliveluftklet.

Bemrklighedernemeddethyopeutektoidestlifigur4.6ogdethypereutektoidestlifigur.4.8.Ibeggetilfldeerdetidligere austenit korngrnser blevet udfyldt med en proeutektoidfase,ferritistletmedlavtkulindholdogcementitistletmedhjtkulindhold.Ifasediagrammeterdetmuligtataflsehvorstorvolumenprocentdervilvreafdenproeutektoidefase,tilstedemellempearlitkornene.Ladostageet 1075 stl someksempel. Kulindholdet p 0.75% liggermegetttpdetpearlitiskekulindholdp0.77%,ogderforvildettestlnstenvre100%pearlit.Detsammevillegresiggldendehvisvinuhavdeet1005stl.Fordiat0.05%Cligger s tt p den rene ferritiske sammenstning p0.02%C, vil dette stl vre overvejende ferrit og det vilindehlde en meget lille mngde pearlit. Heraf kan vikonkludere,atvolumenprocentenafpearlitietstlafhngerafstletssamledekulindhold,oghvordetteliggermellemrentferrit,0,02%C,ogrentpearlit,0.77%ClangsmedA1 temperaturlinien.LadX=detsamledeindholdafkuliethypoeutektoidstl.Volumenprocentenafferritietstlvilderforvre(0.77X)/(0.770.02).*Foret1060stlviserdettesigatvre0.23eller23%.For hypereutektoid stl glder den samme regel med hensyn til beregningen af volumenprocentenaf cementit beregnet udfra fra det samlede kulindhold i stlet, og stlets relativeplaceringpA1temperaturlinienmellemrentpearlit,0.77%kul,ogrentcementit,6.7%kul.Foratfindeudafhvorstorenvolumenprocentcementitdereristletbrugervinuflgendeformel(X0.77)/(6.70.02),hvilketforvores1095stlgiverenvrdip0.03eller3%cementit.

Mikrostrukturenafstlvedstuetemperaturvariererganskemegetogbillederneifigur4.6og4.8skalblotsessomtoeksemplerudafmangephvordenensdanstrukturkanseud.Flgendekandogsigesgenereltommikrostrukturen:

(1) Hvisstletharennedklingshastighedsvarendetilluftafklingellerlangsommere,svilstrukturenvreenblandingafferritogcementit.Cementitenvilsomregelvretilstedesomendel af pearlitkornene, men ikke altid. Ved en korrekt varmebehandling er det muligt at fcementitentilatvretilstedesomsmkugleformedekorn,somvistimikrostrukturennederstifigur3.5.Dennestrukturkaldesfor"sfroidiseret"fordiatCmertilstedesomsmrundekugler.Etpearlitiskstlermegetstrkere,menogsmegetsvrereatbearbejdeendetsfroidiseretstl,hvilketergrundentilatstlleverandrensomoftestlevereethypereutektoidestlidensfroidiserede form. Mikrostrukturen i et sdanstl indeholder sm kornkugler af Cm i enmatrixafferritkorn.(Sesiderne32og33foryderligeeinformation)

Mikrobillederne i figur 4.6 og 4.8 viser den proeutektoide fase placeret langs den tidligereaustenitiske korngrnse. Efterhnden som stlets sammenstning bevger sig lngere oglngerevkfradeteutektoidepunkt, s bliverdennemorfologi (struktur) mindreogmindreudtalt.__________________________*Strengttagetsvildenneformelgivevgtprocentenafferrit.Dogliggervgtprocentenogvolumenprocentenmegetttphinandendaferritogcementit,stortsetvejerdetsamme.

22

Figur4.9visereteksempelpmikrostruktureniet 1018stl somer blevet afklet i enovn fraaustenitomrdettilstuetemperatur.Lgmrketilatdenmrkepearlitudgrenmegetmindreandelafstletendpearliteni1060stletsomervisti figur4.6.Nuerdetdenhvideferritsomudgrdendominerendestrukturistlet,ogderer ikke lngere nogle synlige tegn efter denaustenit korngrnse hvor de blev dannet.Ferritkorneneer ganskeenkelt for store til atvisetegnefterdissetidligerekorngrnser.Lgogsmrketilatferritenogpearlitenladertilatliggeilangeligebnd.Dissestlkaldesdaogsfor"banded"stl.Stortsetallehypoeutektoidestl udviser dennepearlit/ferrit lagdeling hvisstlet har vret udsat for kraftig deformation efterfulgt af langsom nedkling fra austenitomrdet.Stortsetallesmedejernbliverdeformeretpdeneneellerandenmde,somregelsomenblandingafkoldogvarmrulning.Hvisetsdanstlbliverlangsomtnedklet(somregelenlille smule langsommere luftkling) og hvis det bliver skret op parallelt med deformationsretningen,svildetstortsetaltidudvise"banded"struktur.Smedejernmedetrundttvrsnit,vilikkeudvise"banded"struktur",nrdetbliverskretoverp tvrsafdeformationsretningen,mendetvildogudvise"banded"struktur,hvisdetbliverskretopilngderetningen.

(2) Hvisettlerblevetnedklethurtigtfraaustenitomrdet,serdetikkelngeremuligtatfastsl de forskellige faser, deresrelativevolumensamtderessammenstningudfraet fasediagramsomdetblevgjortidetforegende.Idenlangsommeendeafdissehurtigenedklingshastighedervilmanofteendemedathaveenellerandenformforblandingafpearlit+ferritvedstlmedlavtkulindholdogpearlit+cementitvedstlmedethjtkulindhold,menmngdenafpearlit vil afhnge af afklingshastigheden. Ved stigende nedklingshastigheder vil to nyestrukturerbegyndeatblivedannet,nemligbainitellermartensit.Dissestrukturererdetnstejegvilfortlleom.

MikrostrukturenibratkletstlEnafdevelnokmestinteressantesiderafstleratdetermuligtatforgestyrkenbetragteligtvedatbratklestlet.Determuligtatopnetstyrkeniveausomerstrkereendforalmindeligtbrugtelegeringerafaluminium,kobberogtitaniummedenfaktorphenholdsvis4.7,2.2og2.1.Stlblivergenereltbratkletvedatdetvarmestlnedsnkesienklevske,somf.eks.kunnevrevand,olie,flydendesalte.Denstorestyrkevildogkunopsthvisdetvarmestlindeholderkrystalleriaustenitfasen.Denmegethurtigenedklingforhindreausteniteniatbliveomdannettilferritogcementitstrukturen.Ennystruktur,martensit*,bliveristedetfordannet,ogdennemartensitfaseerrsagentildenmegethjestyrke.

MartensitSomforklaretikapitel1,sharaustenitenFladeCentreretCubisk(FCC)strukturogferritharenBodyCentreretCubisk(BCC)struktur.

_____________________________* Historisknote:Navneneferrit,austenit,pearlit,eutektoidogmartensitblevallesammenforesletaftomnd,enamerikaner,HenryMarionHoweogenfranskmand,FlorisOsmond,iperioden18901903.Megetofteividenskabensudvikling,skerdetatdenyeforesledenavneikkebidersigfastogderforgliderudiglemslen.EteksempelpdetteerHowe'sforslagomatmartensitskulleheddehardenit.DesvrrehavdeOsmond'senprferenceforordenmartensit,ogdetteordblevtilsidstdetalmindeligeordformartensit.Ordethardenitbeskriverellerssfremragendeegenskaberneveddenmartensitiskefase.

23

StlsfasediagramviserosafFCCstruktureneristandtilatabsorberelangtmerekulendBCCstrukturen.VedA1 temperaturenerdenmngde kul som kan optages i FCCjernmegethjereenddensomkanoptagesiBCCjern med en faktor p 0.77 / 0.02 = 38.5gange. Som forklaret tidligere s er kulatomernemeget mindre endFeatomerneogkulatomernevilderforliggeihullernemellemdemegetstrrejernatomer.FCCstrukturenkanoplseflereCatomer,hvilketskyldesatnogle af hullerne i dennestrukturer strreenddehullerderer i BCCstrukturen.Denlilleskitsetilhjreviser jerniet1060stl(0.6%C) som transformere til jern, efterhnden som interfacet(korngrnsern/overgangslinien), den lodrette linie, flytter sig til hjre. Nrdenneinterface(korngrnse)harflyttetsig1cm,bliverkulindholdetidenne1cmndttilatfaldefra0.6%til0.02%kulindhold.Vedlaveklehastighederetkulletistandtilatbevgesigforaninterfacet(korngrnsen)indijernetidenretningsomervistmeddenstipledelinieiskitsenvedhjlpafenprocesssomkaldesfordifussionogsombliverforklareti kapitel7.Hvismanderimodforcererdennetransformationogtvingerdentilatfindestedmegethurtigtvedbratklingskankulatomerneikken at omorganisere sig og kommeforan interfacet (korngrnsen) og nogle af demellerallesammenvilblivefangetiferritenogfretilatkulindholdetiferritenstigerhjtopoverdenormale 0.02%, hvilket frer til at BCCkrystallet bliver deformeret. Resultatet er en deformkrystalstruktursomkaldesformartensit.Figur4.10sammenlignerencelleafBCCferritmeddendeformemartensitcelle.Sommankanseserdefaktiskenspflereomrderdeharbeggeeetatomimidtenogeetatomihverhjrneafderesstruktur,menmartensitenerikkekubisk.Den ene af martensitens sider (caksen) er lngere end de to andre sider (aakserne) ogstrukturenkaldesderforforBodyCentreretTetragonal,BCT.

Vedhjlpafrngtenstrlediffraktionerdetmuligtatmleaogclngderneienmartensitcelle.Ifigur4.11kanmanse,atefterhndensomkulmngdensomeroplstimartensitenstiger,svilcaksenogblive forholdsvis lngere endaaksen. Det gedekulindhold i martensitenbliveropnetvedatbratkleaustenitmedethjerekulindhold.Resultaterne i figur 4.11 viser, at efterhnden som kulmngden stiger s vil forvridningen (c bliver forholdsvislngereenda)afdenkubiskestrukturligeledesstigepgrundafdetkulsomerfangetimartensitensBCTstruktur.Styrkenog hrdheden stiger dramatisk efterhnden som kulindholderstiger,somvistmedenhrdhedskurveifigur4.12.(Hvisdu ikkeer fortroligmedhrdhedsmlinger, s seside38).Man kan beskrive den gede hrdhed p flgende mde.ForestildigatdekemiskebindingersomholderFeatomernesammen er ligesom fjedre. Efterhnden som kulindholdetstiger,svilfjedreneblivestrukketmereogmereudundernedklingen, hvilket gr det svrere at strkke demyderligere nr de nr til stuetemperatur, ogstrukturenerderforblevethrdere.

24

Totypermartensit

Martensitensudseendeidetoptiskemikroskopndresigmedkulindholdet.Detertilhjreifigur4.13vistgrafisk,atbratkletrentaustenitmedetkulindholdbde over og under 0.77% kul (C) kan dannestrukturersomer100%martensit.Somvisttilvenstrei figurenerdetalmindeligtatdelemartensit op i totyper alt efter kulindhold. Martensit med et kulindhold mellem 0 og 0.6% bliver kaldet for 'lath'(tyndplade)martensitogmartensitmedetkulindholdp 1%ellermerebliverkaldtfor plademartensit. Idetmellemliggendeomrdemellem0.6og1%kulharvienblandingafdetoformer.Martensitensudseendeidetoptiskemikroskopermskeensmuleskuffende.'Lath'martensitharetnogetuklartogmatudseendesomvistifigur4.14(a)foret1018stl.Iplademartensiterdetdogmuligtatsedeenkelteplader,menkunhviskulindholdetbliverstrreendca.1%,somvistforenmartensitmedetkulindholdp1.4%ifigur4.14(c).Grundentilatmankansestrukturenerfordiatstrukturenikkeer100%martensit.Dethvidesomomgiverpladerneerkornafaustenitsomikkenedeatblivetransformeretvedbratklingen.Mankaldersom regel disse korn for restaustenit. Denne austenit er meget bld sammenlignet medmartensitenogdeterpgrundafdenneaustenitathrdhedenpludseligfaldervedkulindholdpmereendcirka0.9%somvistifigur4.12.Hvisplademartensitnstenikkeindeholdernogetrestaustenit,svilmanikkekunneskilledeenkeltepladerfrahinanden,sefigur4.14(b).Dekandogtydeligtblivesetiettransmissionselektronmikroskop.Hvismansammenlignerfigur4.14(a)og (b) kanmantydeligtsehvorsvrt detkanvreatse forskelp enprvemedren 'lath'martensitogenprvemedenblandingaf'lath'ogplademartensit,blotvedatsepetmikrobilledeafdeto,hvismanikkeligeermetallograf.

Nrmartensitblivertagetopaf bratklingsbadet bliverdetkaldtforfriskmartensit.Hrdhedskurvenifigur4.12henviser udelukkende tilfrisk martensit. Et stortproblemmedfriskmartensit,erathviskulindholdetbliverret meget mere end 0.2 til0.3% s bliver det megetskrt.Mankangodtreduceredenneskrhedvedat brugeen process som heddertemperering, men manmister derved ogs noget afhrdheden.Bratkletstlerderfor nsten altidtempereret for at gestletssejhed og den stl man frefter en temperering kaldermanfortempereretmartensit.

25

Denforhjedetemperaturunder tempereringenstter kulatomerne, somjoer fanget i BCTstukturen,istandtilatflyttesigenlillesmule.Denneatombevgelsemedfrertoting:(1)DenstterBCTstrukturenistandtilafndresigtilBCCstrukturen,og(2)dentilladerdannelsenafmegetsmpartilerafcarbid(oftemedsammenstningenFe2.5Cogsomkaldesepsiloncarbid),somerforsmtilatblivesetietalmindeligtoptiskmikroskop.Selvomdeenkeltekarbidererforsmtilatblivesethverforsig,svildevedtsningfoverfladentilatbliveenanelsemereru,ogderforviltempereretmartensitfremstenanelsemeremrkietoptiskmikroskop.Somillustrereti figur 4.1, s vil en tsning af frisk martensit give en ret glat overflade og fremst somovervejende hvid, hvorimod tempereret martensit vil fremst mrkere p grund af den ruoverflade.Tempereringstemperaturensomerndvendigforattempereremartensiterikkerethjkunomkring150C.Denmartensitsomervistifigur4.14erlettempereret.

MsogMftemperaturerne

Derertommegetvigtigetemperaturersommanbrforstiforbindelsemedvarmebehandlingafstlsomdannermartensig:martensitstarttemperaturen,Msogmartensitsluttemperaturen,Mf.Nraustenittransformerestilennyfasevednedklingharmanfundetudafatdettenstenaltid sker i de gamle austenit korngrnser ('nucleate'). Hvis f.eks. et 1077 stl er blevetfuldstndigtomdannettilaustenitved850Cogderefterluftklettil650C,svilsmpearlitkornbegyndeatdannesidetidligereaustenitkorngrnser,straksefterattemperaturenkommerunder727C.Nrtemperaturennr650V,svildissekornhavevoksetsigstore,mendervilstadigvrenogetaustenittilbageblandtdissenyekorn.Hvismannuholderstletved650Csvilpearlitkornenefortsttemedatvokseindtilaltausteniteromdannettilpearlit.Ladosnuforetageenandenvarmebehandlinghvorstletbliverbratkletfra850Ctil650Cienvarmvske.Dennevarmebehandlingvilfretilattemperaturenfaldermegethurtigerenedtil650C.Omdannelsenafaustenitenerdensamme,sm pearlitkornbliverdannet i degamleaustnitkorngrnserogdevil blivevedmedatvokse indtil alt austenit eromdannet.Denhurtigerenedkling vil dog medfre tre forskelle: (1) pearlitkornene vil vokse hurtigere, (2) afstandenmellemCmpladernevilblivefinere(mindre),(3)daderbliverdannetflerepearlitkornidegamleaustenitkorngrnsersvildissederforogsblivemindre.

Ladosigenforestilleosatvibratklerdette1077stl,mendennegangietvandbadhvorvandetharstuetemperatur.Vedsdannelavetemperaturerforventerviatdervilblivedannetmartensitogatenhrdningafstletvilfindested.Dererforskelleoglighedermellemdenmartensitsombliverdannetved650Cogdensombliverdannetvedstuetemperatur.

26

P sammemdesompearlit,vil martensitnustartemedatblivedannet(nucleate)idegamleaustenitkorngrnser.MEN,tilforskelfrapearlitsvilmartensitvokseindiaustenitmedenvoldsomhjhastighed.Tilforskelfrapearlitsomvokserindiaustenitenmedenhastighed p omkring 50 m/sekund ved 650C og endnulangsommere ved hjere temperaturer, s vil martensiten nstenvoksemed lydenshastighed ind i austeniten, uanset vedhvilkentemperaturdennumtteblivedannet.Tilforskelfrapearlit,somvilomdanne alt austenit, hvis du blot holder det ved en reducerettemperaturlngenok,svilmartensitkunomdannealtaustenitenhvis temperaturenerunderhvadderkaldes for martensitiskslut temperatur, Mf. Derud over vil martensit overhovedet slet ikkebegynde at blive dannet hvis ikke nedklingstemperaturen liggerunderhvadderkaldesformartensitiskstarttemperatur,Ms.HvisnedklingstemperaturenliggerimellemMsogMf,svilkunendelafaustenitenbliveomdannettilmartensitogdenresterendeaustenitvilblotliggetilbagemellemmartensitkornenesomindespndtaustenit.Figur4.15viserengrafsomviserdetteforhold.LgmrketilatM50erdentemperaturvedhvilketkun50%afaustenitennratbliveomdannettil martensit.Deresterende50%austenitvil forblivetilbageimellemmartensitensomindespndtaustenit,slngetemperaturenforbliverundret.

Lgmrketilatstlfasediagarammerifigur3.7siger,ataltaustenitskalforsvinde,nrstltemperaturenkommerunderA1 temperaturen.Derudoversigerdiagrammetogsatfaserne,+CmbyrdevrettilstedevedtemperaturerunderA1temperaturen.Menmedbratkletstlbrydervibeggedisseregler,daderjostadigeraustenittilstedeogfordiderikkeernogen ellerCmtilstede.Dettetydeliggrblotatdettefasediagramkunviserdefasersomertilstedeveddissetemperatursammenstninger hvis nedklingen har vret tilstrkkelig langsom. Ved hjerenedklingshastighedervilvistdepennyfase,martensit,somikkefremgrafdettediagram.Ensdanfasekaldesforenmetastabilfase,dadenjoikkeerstabil.Hvisvivarmermartensitop,somdetf.eks.skerundertempereringdprocessen,svildetndresigtilmerestabilefaser.VikanjogodtsedestabilefaseridiagrammetogenopvarmningafmartensittilentemperaturunderA1viltransformerebdemartensitenogdenindespndteaustenittil+Cm.

Martensit&indespndtaustenit

DetharvistsigatstlsMstemperaturkraftigtafhngerafhvormegetkul(C)dereriausteniten.Mankanbedstillustreredettemedtoforskelligegrafersomervistifigur4.16og4.17.Ifigur4.16erMsogMftemperatureneindtegnetmedkulindholdetpdenvandrettteakseforrenekulstl.Mftemperaturenerikkerettydeligdaeksperimentervedrrendedennetemperatur,harvistmegetvarierendetemperaturer.LgmrketildenvandrettestregmrketT(stuetemperatur)ifigur4.16.Nstenaltbratklingbliverforetagetvedstuetemperatur,s dennelinievil sttedigistandtilatsehvormegetkuldererkrvetforatdanneindespndtaustenitietbratkletrentkulstl. Som det fremgr af diagrammet s vil Mf temperaturen bevge sig under stuetemperaturenvedenkulprocentpomkring0.3til0.4%C(kul).Determuligtatmlemngdenatindespndtaustenitienprveretprcistvedhjlpafrngtenstrlediffraktion.

27

Figur4.17viserresultatetafmlingerafmngdenafindespndtaustenitibratkletrentkulstlefterhndensomkulindholdetstiger.PsammemdesomforMftemperaturen,erderherenstorspredningidemltetemperaturer.F.eks.skanmngdenafindespndtaustenitiet1.4%rentkulstlliggeetellerandetstedmellem28og45%.Vikanseflereinteressantetingudfradennegraf:(1)rene"lath"martensitstl(%Cermindreend0.6%C)vilkunindeholdebegrnsedemngderindespndtaustenit.(2)reneplademartensitstl(%Cstrreend1%C)vilindeholdebetragteligemngderindespndtaustenitsomsigerkraftigtitaktmedstigningenistletkulindhold.Lgmrketilatvores1077stlsomerbratklettilrumtemperaturforventesathaveen blanding af "lath"/pladestruktur og at indeholde 6 til 10% indespndt austenit. Det ergenereltikkemuligtatsedenneindespndteaustenitslngestletindeholdermindreend10%indespndtaustenit.

I den ovenstende tekst har vi antaget at bratnedklingen ville snke temperaturen paustenitentilunderMstemperaturenshurtigtathverkenferrit,pearlitellercementitvillenatkunneblivedannetindentemperaturennedeunderMs.Lgmrketilatet1095stlharensammenstningsomliggerttpdenpearlitiskesammenstning.Grafenifigur4.17viser,athvis det bliver bratklet hurtigt nok fra austenitomrdet til stuetemperatur for at undgdannelseafpearlit,svilstletblivetransformerettilmartensitmedomkring13%indespndtaustenit.Forestildignuatstletbliverbratklerenlillesmuleforlangsomttilatundgdannelsenaf pearlit fr Ms temperaturen er net. I dettetilfldevilpearlitmuligvisbegyndeatblivedannetfrder begynderat blive dannet martensit. Hvisdetteskersvilpearlitenbegyndeatblivedannetlangsdetidligereaustenitkorngrnser,menidetjeblikattemperaturenkomunderMs,svildenresterendeaustenitpludseligblivetransformerettilMartensit+indespndtaustenitilbetafetparmillisekunder.Denpearlitsomblevdannetlangsde tidligere austenit korngrnser vil nu blivesprret inde af den hurtigt dannede martensit.Resultatet er en struktur somden der er vist ifigur 4.18, hvor mrk pearlit er omgivet af hvidmartensit+indespndtaustenit.

28

(Prven var ikke tilstrkkeligttempereret,hvilketergrundentilatmartensiten og den indespndteaustnitfremstrmegethvid.)Dererp billedet tegnet tynde hvidestreger ovenp billedet for at visehvordetidligereaustenitiskekorngrnser omtrent har ligget. Lgmrketilatpaerlitenvokserudfardenaustenitiskekorngrnseismcirkelformede strukturer, somkaldes for pearlit'noder' og der erkarakteriseret ved af have enkugleformet(sfrisk)vkstfront.

BainitHvismannedklerdettestlfra denaustenitisketemperaturenlille smule hurtigere, s er detmuligtatobservereennyformformikrostruturistletsomkaldesforbainit.Psammemdesompearlit,sbliverbainitogsdannetudfraaustenitogdetbiverogsdannetlangsdetidligereaustenitiskekorngrnser.Somflgeherafvil der blive en form for konkurrencemellem de to, bainit og pearlit, og noglestder vil der blivedannet bainit og andrestedervilderblivedannetpearlit,somvistifigur4.19.Bainitenerdenlidtlysereafdeto, som vokser ud fra de tidligereaustenitiske korngrnser. Ogs p dettebillederdertegnetenhvidstregsomviserhvordetidligereaustenitisekkorngrnseromtrentlig ligger. P samme mde sompearlit,serbainitenblandingafferrit+cementit(Fe3C).Dogerdenindrestrukturibainit meget anderledes end strukturen ipearlit. I pearlit ligger cementitpladernemellempladerafferrit,menibainitliggercementienmeresomsmstykkerogkorniet ferritgitter. En anden forskel p de tostrukturer er ogs vist i figur 4.19.Pearlitens vkstgrnser er sfrisk(kugleformet), hvor imod bainitensvkstgrnsemerelignernle.Huskpatbilledetifigur4.19eret2dimensionaltsnitgennem strukturen. Hvis vkstfronten ibainit virkeligvarnleformets ville mankun kunne se denne nleform hvis manlavede et snit som l helt parallelt mednlenakse,hvilketerganskeusandsynligt.

29

Menhvisvkstfrontenvarpladeformetsvilledenlignenlespidseriet2dimsioneltsnit,ogsselvomatsnittetblevetforetagetimangeforskelligevinkler.Derfor,vkstfrontenidennebainiterpladeformet,ligesomdenerideflesteandrebainiteristl.

Detoptiskemikrobilledifigur4.19,blevtagetmeddenhjestemuligeforstrrelsep1000x.Enstrre forstrrelse, kunmulig vedat gre billedet strre, viser ikke nogle nye strukturer, dagrnsenforsdannebilledertagetmedoptiskmikroskoper0.2 m(200nm).Detaljerneidenpladeogpartikelstruktursomcementitharipearlitogbainiterikkemuligatseietalmindeligtoptiskmikroskop.Pearlitenfremstrmrkereendbainiten,fordiatlysetbliverspredtbedreafdenstoremngdeaffinepladeripearliten,endafdesmpartikleribainiten.I1960'ernesennyformformikroskopdagenslys,etSEM(scanningelectronmicroscope)mikroskop,somkanlavebilledermedenmegethjereoplsning,heltnedistrrelsen2nanometer(nm),hvor2nm=0.002m.Figur4.20eretSEMmikrobilledafpearlittagetveddetpearlitpunktsomermrketifigur4.19ogfigur4.21eretSEMmikrobilledafbainitveddetbainitpunktsomligeledesermrketifigur4.19.Ibeggebillederercementiendenmrkefase.Forskellenpdetomikrostrukturerertydeligtillustreretpdissetomikrobilleder.Efterhndensomnedklingshastighedenstiger,sbliverafstandenmellempladerneipearliten,tyndere(finere).Pladeafstandenifigur4.20erblot0.05 m (50nm), hvilket er det lavestmulige i bainit. Somdet fremgr af figur 4.21, s ercementienibainitoftesttilstedeiformaftrdeelleraflangekorn.Bdetrdeneibainitenogpladerneipearlitenliggerttpvkstretningen.

Islutningenaf1920'ernebegyndteEdgarBainetstudieafbratkletstlmedenmetodesomkaldes for isotermisk transformation. Isotermisk betyder ved konstant temperatur. Dennemetodekrveratmanbrugertyndestykkerafstl.Frstvarmermandettyndestykkestlopoghervedomdannerdettilaustenit,herefterbratklermandetienflydendeklevske,somregelflydendesalt,somerholdtveddennskedeisotermisketemperatur.Fordiatpladenermegettynd, s vil hele pladen hurtigt blive klet ned til samme temperatur somklebadet, fr ataustenitenharnetatskifteform.Stletblivernuholdtidetflydendebadindtilalaustenitenertransformeret, oger derefter klet ned til stuetemperaturogundersgt i et mikroskrop. VeddennemetodeerdetmuligtatfindeudafhvilkenstrukturersomkandannesfraaustenitvedalledeforskelligetemperatursammenstningersomliggerunderA1temperaturenifasediagrammet,ogresultatetkansesifigur4.22.

VedbrugafdenneteknikopdagedeBainoghansmedarbejdereatdereksistereettemperaturomrdehvorderikkevilblivedannetpearlit,oghvorderhellerikkevilblivedannetmartensit,ogidettetemperaturomrdeopdagededeennystruktur,som15rsenerefiknavnetbainit.Somvistifigur4.22harbainittoprimreformer,nemligvrebainitognedrebainit,afhngigafvedhvilkentemperaturdenerblevetdannet.Denbainitsomervistifigur4.21ervrebainit.Denprimreforskelmellemdissetostrukturereratkarbidpartiklerneogtrdeneermegetfinereogliggertttereinedrebainit.

30

Indespndtaustenitforkommeraldrigipearlit.Bainit,kanderimodhavebetragteligemngderindespndtaustenit,isrivissestllegeringer.NrGrundstoffetSi(Silicium)blivertilfjetetstlimndgersomliggeroverurenhedsniveauet,shardetstorindflydelsepstletsbainit.Siertilstedeistrremngderifjerderstlet,AISI9260,ogistbejern.Detfrbainitenidissemetallertilatindeholdebetragteligemngderatindespndtaustenit,reduceredemngderafkarbid,ogdetndretypenafkarbididennedrebainitfraFe3C(cementit)tilFe2.5C(epsilonkarbid).EpsilonkarbiderikkeatfindeiFeCligevgtsfasediagrammet,fordideterikkeenstabilfase.Detbliverkaldtforenmetastabilfaseomkankunblivedannetibratkletstl.Vivilstdepdetigenitemperering.

31

Figur4.22kanblivebrugttilatillustrereetvigtigtaspektvedpearlitiskstlsomendnuikkehelterbeskrevet.Barefordiatenmikrostrukturharpearlitiskformbetyderikkehermedatsammenstningenafstlethardenpearlitiskesammenstningp0.77%C(kul).Ladostageet1095stl.Diagrammetviserathvisdettestlerbratklettiletsteditemperaturomrdetomkring550til650Cogholdtherindtilaltaustenitertransformeret,svildethave100%pearlitiskstruktur.Forskellempstrukturenidettestlogpearliteni1077stl,eratcementitpladernei1095pearlitiskstlerenanelsetykkereendpladerneipearliten1077stlet.Psammemdekanmanlaveet1060stlmedudelukkendepearlitiskstrukturvedbratklingtil550til650Comrdet,ogdenenesteforskelvilvre,atnuercementitpladerneenanelsetyndereendipearliteni1077stl.Ibeggetilfldeerpladetykkelsenforlilletilatbliveobserveretietoptiskmikroskop,ogdeterenddahellerikkemuligtietSEMmikroskop.

Figur 4.22 viser os ikke hvilken struktur som vil blive dannet ved kontinuerlig nedklling.Kontinuerlig nedklingbetyderat prvenernedklet fraaustnittemperaturen, ikkevedbratklingmenvedatblivetagetudafovnenoghvorefterkletnedmedlaverehastighedersomf.eks.luftkling eller en langsom bratkling i f.eks. oliebad. Luftkling bliver ofte kaldet fornormalisering. Som navnet antyder s betyder kontinuerlig nedkling falder med en jvnhastighedogikkepludseligsomdetskervedbratkling.Eksperimenterviseratet1095stlsombliverhurtigtluftkletblivertilrentpearlit,mendetgret1060stlikke.1060stletvilhaveferritidetidligereaustenitiskekorngrnseromgivetafpearlit,psammemdesomifigur4.6.Efterhndensomnedklingshastighedenbliverhvetfraalmindeligluftklingshastighed,svildergradvisblivedannetmereogmerebainitogenstorvariationafmikrostrukturervilbegyndeatblivedannetmedblandingerafferrit,pearlit,bainitogtilsidstogsmartensit.

Sfrodiseredemikrostrukturer Cementitfasenerideflestestltilstedeiformafpladerafpearlit.Ihypoeutektoidstlerdissepladermegetfine.Ihypereutektoidstlercementitfasentilstede i formaf tynde og tykke plader samt kugler somalle er blevet dannet i de tidligereaustenitiskekorngrnser.DissecementitformeropstrfordideterdemsomcementienblivertilnraustenitentransformerestilpearlitvedAr1temperaturenognrdetbegynderatblivedannet(nucleates)idetidligereaustenitiskekorngrnserihypereutektoidstlvedArcm temperaturen.Det er dog muligt at varmebehandle et stl og ndre formen af cementiten til sfrisk(kugleformet)cementit,ogskaldetsfrodit.Cementitermegethrdtmenogsmegetskrt,ogvedatndredetsformtilsmisoleredekuglerienmatrix(masse)aff.eks.ferritellertempereretmartensit, s vil stlets egenskaber komme tttere p de egenskaber som matrixens fasebesidder;bldereogmerebearbejdeligmedenferritmatrix;strkereogmindreskrtmedenmartensitiskmatrix.

Derfindestovarmebehandlingersomeffektivtkanproduceresfrodiseretcementitstruktur.Idenfrsteprocessbliverstletganskeenkeltvarmetoptildetaustenitiskeomrdeogderefterbratklettilmartensit.ForbdehypooghypereutektoidstlglderdetatstletblivervarmetoptilentemperaturligeunderA1temperaturenientimestidogefterendtnedklingharmansenmikrostrukturmedsmfinesfrer(kugler)ienmatrixafferrit.Martensiterikkeenstabilfasevedstuetemperatur,ogfasenfremgrdahelllerikkeafligevgtsfasediagrammetogveddenforhjedetemperaturhenfalderdettilfinekarbider(cementit)ienmatrixafferrit.Medhypereutektoidstlkanmanproduceresfrerafcementitienmartensitellerbainitmatrixvedatopvarmedetbratkledestl til entemperaturmellemA1 ogAcm i omkringentimestidhvormartensitensvilhenfaldetilsmfinekarbiderienaustenitmatrix.

32

Martensit eller bainitmatrixen bliver herefterdannet udfra austenitenvedbratkling til dennskede temperatur. Hvor stor en mngdesfriskcementitdervilvreistletafhngerafvedhvilkentemperaturmanharholdtstletidentimeprocessenvarede.EntemperaturttpA1vildanneenmaksimalmngdesfriskcementithvor imod en temperatur tt p Acm kun vilindeholdeetminimumafsfriskcementit.

Denandenmetodeer mesteffektiv medhypereutektoid stl. Den krver ikke nogenforudgende bratkling og er derfor ogs denmestanvendtemetodeiindustrientilproduktionafsfrodiseredestruktureraf cementit + ferrit.Deterogsidenneformdetbliverleveretfrastlfabrikanten.VeddennemetodebrugermanettricktilatforhindredannelsenafpearlitvednedklingafaustenitentilunderA1 temperaturen.TricketeratdannesmpartiklerafcementitiaustenitenogdereferatkledennedunderA1meget langsomt (som regel en anelse langsommere end luftkling). Denne behandling fraustenitentilattransformeresigdirektetilsfroidiseretcementit+ferritstrukturistedetfordenpladeformede pearlitstruktur (denne transformation bliver nogle gange kalde for 'divorcedeutectoidtransformation',DET).SmpartiklerafcementitblivernaturligtdannetiausteniteniethypereutektoidstlnrdetblivervarmetopoverA1ogsamtidigunderAcm.Eksperimenterviseratdetteertilfldetslngeatstletsomudgangspunktikkeindeholderstrrepartiklerafcementit(hvisdetf.eks.indeholderpearlit,bainit,martensitellerdetalleredeersfrodiseretsomferrit+cementit).Derudoverkanstletikkebliveopvarmettilover800840Cunderaustenitiseringen,foratsikreatDETdannelsenerstrkereendpearlitdannelsen.Metodenvilogsvirkemedhypoeutektoidstl,mendetkrvermerekontrol.Grundener,atnrhypoeutektoidstlblivervarmetoptil overA1,s vil cementitpladerneipearlitenblivetransformerettil rentaustenitefteretstykketid,ogdennetidblivermindreogmindreefterhndensomtemperaturenbliversatop.Sidendennemetodekrveratderercementitpartiklertilstedeidenklendeaustenit,skanhypoeutektoidstlikkebliveholdtretlangtidoverA1temperaturenfrnedklingbrfindested.En effektiv mde hvorp man kan opn sfrodisering i et hypoeutektoid stl er gentagneopvarmningerognedklingerafstletmedca.50Coverog50CunderA1etpargange.

Figur4.23visereteksempelpet52100lejestlproduceretefterovenstendemetode2.Stletvaroprindeligtpearlitiskudennogenandencementitenddendervartilstedeipearliten.Detblevholdt ved795C i 30minutter og nedklet i en ovnmed370C/time til 680C, hvor DETtransformationenvarfrdigogdetblevherefterluftklettilstuetemperatur.Vednedklingentil680CblevpearlittransformationenfuldstndigerstattetafDETtransformationen,hvilketgavensfrodiseretstrukturafmegetfinecementitpartiklerienferritmatrix.

Eksempler p sfrodiserede stl inkludere de fleste hypereutektoide stl som lejestl ogvrktjsstlsombliverleveretfrafabrikantenmedensfrodiseretstrukturafcementitienferritmatrixforatlettemaskinbearbejdning.Lejestlogvrktjsstlbliverdesudenogsbrugtstederhvordekangivegetmodstandimodslidtage.

33

Dissestlbliveroftevarmebehandletmedhenblikpatdanneensfrodiseretcementitstrukturienmatrixsombliverkontrolleretafdenendeligenedkling,ogsomkanbestaffinpearlit,bainitellertempereretmartensit.

Opsummeringafhovedpunkterneikapitel4.

1 Stls mekaniske egenskaber afhnger kraftigt af deres mikrostruktur. Mikrostrukturenudgresafdistrubutionenafkorneneogdennestrukturkanbeskrivesmedordsomstrrelseogformsamthvilkefaserderertilstede.Mikrostrukturenbliverhovedsageligtfastsletietoptiskmikroskop,vedundersgelseafpoleredeogtsedeoverflader.Alledevigtigemikroelementerafstl(faserne:ferrit,austenit,cementitogfriskmartensit,samtfaseblandingerne;pearlit,bainitogtempereretmartensit)harenkarakteristiskoverfladepenpoleretogtsetoverflade,sommuliggrenevalueringafmikrostrukturenietoptiskmikroskop.

2Stuetemperatursmikrostrukturenaflangsomtnedklet(ikkebratklet)stlafhngerkraftigtafstletskulindhold.Eutektoidstl(0.77%C)vilnormaltvre100%pearlit,figur4.3.Hypereutektoidstl(%Cstrreend0.77)vilofteblivetilpearlitmenmedcementitidereskorngrnser,figur4.8.Idennedreendeafhypoeutektoidstl(%Cmindreca0.2%)bliverferritkornenedendominerende bestanddel med en i forskellige former spredt ud. Smedet jern udviser ofte en'banded'mikrostrukturmedbndafskiftevisferritkornogpearlitkornsomliggerparalleltmeddeformations retningensefigur4.9.

3Cementitenilangsomtnedkletstleroftesttilstedeiformafdetyndepladeripearliten.Deterdogmuligtatomdannedenpearlitiskecementittilenmassesmseparatesfrer(kugler)ienmatrix af ferritkorn ved brug af en speciel varmebehandling sombeskrevet p side 3233.Sdannestlbliverkaldetforsfrodiskestl,figur4.23,ogdeterofteidenneformatstlmedhjtkulindholdbliverleveretfrastlfabrikanten,dadeterlettereatmaskinbearbejdeendnrcementiteneridenpearlitiskeform.

4 Nraustenitblivernedklethurtigtvedbratkling,kantonyemikrostrukturerdukkeop;martensitogbainit.

5 Martensiterenikkeligevgtsfase(denfremgrhellerikkeaf ligevgtsfasediagrammet).Martensitvilgernevrebodycentreretcubisk(BCC)menkulletiaustenitenforvriderkrystalletsstruktur til body centreret tetragonal (BCT). Jo mere kul der er i austeniten des jo mereforvridningskerderogdesjohrdere(strkere)blivermartensiten,figur4.12.

6Martensitkanseudptomderietoptiskmikroskop,'lath'ogplade.'lath'bliverdannetvedetkulindholdfra0til0.6%kulogpladefra1%ogop.Mellem0.6og1%kulforekommerderblandingeraf detotyper.

34

7 Denmartensitsombliverdannetvedbratklingbliverkaldeforfriskmartensit.Hviskulindholdeterstrreendca.0.3%svildetvresskrtatdetstortsetikkekanbrugestilnoget.Derfor bliver nsten alt martensit tempereret ved opvarmning til en lav temperatur. Dennetempereringgratderdannersigsmkarbiderimartensitensomreduceredetsstyrkemensomogsgerdetssmidighed(plasticitet).Detfrogsdentemperedemartensitientsetprvetilatfremstmrkietoptiskmikroskop.

8ForatdannemartensitermanndttilatbratkleaustenittilnedunderMstemperaturen.EfterhndensomtemperaturenfalderuderMs,svilderblivedannetmereogmeremartensitindtilmannrMftemperaturenhvordervilblivedannet100%martensit.MellemMsogMfvilmanfenstruktursombestrafbdemartensitogindespndtaustenitfigur4.14(c)og4.15.

9 BdeMsogMf falder efterhndensomkulindholdet stiger ogprver bratklet til stuetemperaturkanindeholdebetragteligemngderindespndtaustenitistlmedhjtkulindhold.Kurverneifigur4.16og4.17viseratberagteligemngderafindespndtaustenitbegynderatblivedannetirenekulstlbratklettilstuetemperaturvedetkulindholdoverca.0.4%kul.

10 Hvis manbratkler med en lidt lavere hastighed end den der er krvet for at dannemartensit,svilderopstennymikrostruktursomhedderbainit.Bainitermagentilpearlitvedatdetogsbestrafferritogkarbid.Menkarbidenibainitbestraftrdeelleraflangekornhvordenipearlitbestrafplader.

11Bainitoptrderitoformer,vrebainitognedrebainitaltafhngigafvedhvilkentemperaturdet blev dannet. Karbiderne er finere i nedre bainit og kan opn styrker som nrmer sigmartensitensogensejhedbedredenfortempereretmartensitmedsammehrdhed.

12Enunikegenskabvedmartensiteratdetbliverformetmegethurtigereendnogleafdeandreprodukterafaustenit(ferritcementitpearlitellerbainit).Martensitvoksermedcaaflydenshastighed,snrfrstaustenitenstemperaturkommerunderMs,svilmartensitenblivedannetilbetafetparmillisekunder.

13 Nretstlblivernedkletfraaustenitomrdet,skanmanifasediagrammetsehvilketproduktaustenitenfrstvilbliveomdannettil:ferritihypoeutektoidstl,pearlitieutektoidstlogcementitihypereutektoidstl.Eksperimenterharvistatdisseprodukterfrstvilblivedannetidetidligereaustenitkorngrnser.Foratdanne100%martensitietstl,ermanndttilatbratklestletshurtigtnedatdisseprodukterikkekannatblivedannetidetidligereaustenitiskekorngrnser.HvisetafdisseprodukteralligevelskullenatblivedannetindenaustenitennrMs temperaturen,s vil detbliveomringetaf denmartensitsompludseligbliverdanneti detjeblikaustenitennrnedunderMstemperaturen,ogmanvilseenstruktursomdenifigur4.18og4.19.

14 Hvisetstlbliverbratklettilenkonstanttemperaturietsaltbadshurtigtataustenitendnu ikke har net at henfalde, s vil austeniten blive transformeter isotermisk ved eentemperatur.Denneisotermisketransformationafstlerblevetgrundigtstuderetogdetharvistsig at det austenit produkt eller de produkter som bliver dannet afhnger af bratklingstemperaturenogkulindholdetistlet,sefigur4.22.

35

side36

5MekaniskeEgenskaber

TrkprvningLadosstartemedetlilleeksperimentmedenlillefjeder.Tagenlillefjeder,trkdenlidtfrahinandenoggivslip.Fjederenvilspringetilbagetilsinoprindeligelngde.Udfrnueksperimentetigen,mendennegangskaldutrkkedenetgodtstykkelngere.Efterhndensomfjederenbliveroverspndtiforholdtilsinlngde,vildumrkeatdenkraftsomskaltilforatstrkkedenyderligerepludseligfalder,fjederengiverpdetnrmesteefter.Nrdudenneganggiverslippfjederenvilduseatfjederenikkelngeretrkkerheltsammenigentilsinoprindeligelngde.Denerblevetlngereognukanfjederenformentligikkelngerebruges.

Forlangtidsidenudvikledenogleingenirerentesttilprvningafstyrkenafmetaller,somminderomovenstendeeksperiment.Etstykkemetal,somregelenrundcylindriskstang,blivertrukketfrahinandenienmaskinesompfrerdenkrafen,F.Maskinenholderfastiemnetmedetstkberihverendeafdencylindriskeprveogkraftenblivernupfrtprvenparalleltme