Šiluminis plieno apdorojimas yra galingiausias mechanizmas, turintis įtakos jo struktūrai ir savybėms. Jis pagrįstas kristalų gardelių modifikacijomis, priklausomai nuo temperatūrų žaidimo. Įvairiomis sąlygomis geležies ir anglies lydinyje gali būti ferito, perlito, cementito ir austenito. Pastarasis atlieka pagrindinį vaidmenį visose plieno šiluminėse transformacijose.
Apibrėžimas
Plienas yra geležies ir anglies lydinys, kuriame anglies kiekis teoriškai yra iki 2,14%, tačiau technologiškai taikant jo yra ne daugiau kaip 1,3%. Atitinkamai, visos struktūros, kurios jame susidaro veikiant išoriniam poveikiui, taip pat yra lydinių atmainos.
Teorija pateikia jų egzistavimą 4 variantais: prasiskverbiantis kietas tirpalas, išskirtinis kietasis tirpalas, mechaninis grūdelių mišinys arba cheminis junginys.
Austenitas yra kietas anglies atomo prasiskverbimo į paviršių centrinę kubinę geležies kristalinę gardelę, vadinamą γ, tirpalas. Anglies atomas įvedamas į geležies γ gardelės ertmę. Jo matmenys viršija atitinkamas poras tarp Fe atomų, o tai paaiškina ribotą jų praėjimą per pagrindinės struktūros „sieneles“. Susidaro procesuoseferito ir perlito temperatūros virsmai didėjant šilumai virš 727˚С.
Geležies ir anglies lydinių diagrama
Eksperimentiniu būdu sudaryta diagrama, vadinama geležies ir cemento būsenos diagrama, aiškiai parodo visas galimas plieno ir ketaus transformacijų galimybes. Konkrečios temperatūros vertės tam tikram lydinyje esančios anglies kiekiui sudaro kritinius taškus, kuriuose vyksta svarbūs struktūriniai pokyčiai šildymo ar aušinimo procesų metu, taip pat sudaro kritines linijas.
GSE linija, kurią sudaro taškai Ac3 ir Acm, parodo anglies tirpumo lygį, kai šilumos lygis didėja.
| Anglies tirpumo austenite ir temperatūros lentelė | |||||
| Temperatūra, ˚C | 900 | 850 | 727 | 900 | 1147 |
| Apytikslis C tirpumas austenite, % | 0, 2 | 0, 5 | 0, 8 | 1, 3 | 2, 14 |
Ugdymo ypatybės
Austenitas yra struktūra, kuri susidaro kaitinant plieną. Pasiekę kritinę temperatūrą, perlitas ir feritas sudaro vientisą medžiagą.
Šildymo parinktys:
- Vienodas, kol pasiekiama reikiama vertė, trumpa ekspozicija,aušinimas. Priklausomai nuo lydinio savybių, austenitas gali būti visiškai arba iš dalies suformuotas.
- Lėtas temperatūros kilimas, ilgas pasiekto šilumos lygio palaikymo laikotarpis, siekiant gauti gryną austenitą.
Gautos įkaitintos medžiagos savybės, taip pat tai, kas atsiras dėl aušinimo. Daug kas priklauso nuo pasiekiamo šilumos lygio. Svarbu išvengti perkaitimo ar perkaitimo.
Mikrostruktūra ir savybės
Kiekviena iš geležies ir anglies lydiniams būdingų fazių turi savo gardelių ir grūdelių struktūrą. Austenito struktūra yra sluoksninė, formų artima smailioms ir dribsnioms. Visiškai ištirpus angliui γ-geležyje, grūdeliai yra šviesios formos, be tamsių cementito intarpų.
Kietumas yra 170–220 HB. Šilumos ir elektros laidumas yra daug mažesnis nei ferito. Nėra magnetinių savybių.
Aušinimo ir jo greičio variantai lemia įvairių „š altos“būsenos modifikacijų susidarymą: martensitas, bainitas, troostitas, sorbitas, perlitas. Jų struktūra panaši, bet skiriasi dalelių dispersija, grūdelių dydžiu ir cementito dalelėmis.
Austenito aušinimo poveikis
Austenito skilimas vyksta tuose pačiuose kritiniuose taškuose. Jo veiksmingumas priklauso nuo šių veiksnių:
- Aušinimo greitis. Įtakoja anglies intarpų pobūdį, grūdelių susidarymą, galutinio susidarymąmikrostruktūra ir jos savybės. Priklauso nuo terpės, naudojamos kaip aušinimo skystis.
- Izoterminio komponento buvimas vienoje iš skilimo stadijų – nuleidus iki tam tikro temperatūros lygio, stabili šiluma palaikoma tam tikrą laiką, po kurio tęsiasi greitas aušinimas arba vyksta kartu su šildymo įrenginys (krosnis).
Taigi išskiriama nuolatinė ir izoterminė austenito transformacija.
Transformacijų charakterio ypatybės. Diagrama
C formos grafikas, kuriame pavaizduotas metalo mikrostruktūros pokyčių pobūdis laiko intervale, priklausomai nuo temperatūros pokyčio laipsnio – tokia yra austenito virsmo diagrama. Tikras vėsinimas yra nuolatinis. Galimos tik kai kurios priverstinio šilumos sulaikymo fazės. Grafike aprašomos izoterminės sąlygos.
Simbolis gali būti difuzinis ir nesklidus.
Esant standartiniam šilumos mažinimo greičiui, austenito grūdeliai keičiasi difuzijos būdu. Termodinamikos nestabilumo zonoje atomai pradeda judėti tarpusavyje. Tie, kurie neturi laiko prasiskverbti į geležies gardelę, sudaro cementito inkliuzus. Juos jungia gretimos anglies dalelės, išsiskiriančios iš jų kristalų. Cementitas susidaro pūvančių grūdų ribose. Išgryninti ferito kristalai sudaro atitinkamas plokšteles. Susidaro išsklaidyta struktūra - grūdelių mišinys, kurio dydis ir koncentracija priklauso nuo aušinimo greičio ir kiekiolydinio anglis. Taip pat susidaro perlitas ir jo tarpinės fazės: sorbitas, troostitas, bainitas.
Esant dideliam temperatūros mažėjimo greičiui, austenito skilimas neturi difuzinio pobūdžio. Atsiranda sudėtingi kristalų iškraipymai, kuriuose visi atomai vienu metu pasislenka plokštumoje, nekeičiant savo vietos. Difuzijos trūkumas prisideda prie martensito branduolio susidarymo.
Kietėjimo įtaka austenito skilimo savybėms. Martenzitas
Kietinimas yra terminio apdorojimo rūšis, kurios esmė – greitas kaitinimas iki aukštos temperatūros virš kritinių taškų Ac3 ir Acm, po kurio greitai atvėsinama. Jei temperatūra vandens pagalba mažinama daugiau nei 200˚С per sekundę, susidaro kieta smailioji fazė, vadinama martensitu.
Tai persotintas kietas anglies prasiskverbimo į geležį tirpalas su α tipo kristaline gardele. Dėl galingų atomų poslinkių jis iškreipiamas ir susidaro keturkampė gardelė, kuri yra sukietėjimo priežastis. Suformuota struktūra turi didesnį tūrį. Dėl to kristalai, kuriuos riboja plokštuma, suspaudžiami, gimsta adatos plokštelės.
Martensitas yra stiprus ir labai kietas (700–750 HB). Susidaro išskirtinai dėl didelio greičio gesinimo.
Užgrūdinimas. Difuzinės struktūros
Austenitas yra darinys, iš kurio galima dirbtinai gaminti bainitą, troostitą, sorbitą ir perlitą. Jei kietėjimo atšalimas įvyksta valmažesni greičiai, atliekamos difuzinės transformacijos, jų mechanizmas aprašytas aukščiau.
Troostitas yra perlitas, pasižymintis dideliu sklaidos laipsniu. Jis susidaro, kai šiluma sumažėja 100˚С per sekundę. Visoje plokštumoje pasiskirsto daug smulkių ferito ir cementito grūdelių. „Sukietėjusiam“cementitui būdinga sluoksninė forma, o vėlesnio grūdinimo metu gautas troostitas turi granuliuotą vizualizaciją. Kietumas – 600–650 HB.
Bainitas yra tarpinė fazė, kuri yra dar labiau išsklaidytas daug anglies turinčio ferito ir cementito kristalų mišinys. Pagal mechanines ir technologines savybes jis nusileidžia martensitui, tačiau lenkia troostitą. Jis susidaro temperatūros diapazonuose, kai difuzija neįmanoma, o kristalinės struktūros suspaudimo ir judėjimo jėgų, kad virstų martensitine, nepakanka.
Sorbitolis yra stambi, adata primenanti perlito fazių įvairovė, kai aušinamas 10˚С per sekundę greičiu. Mechaninės savybės yra tarpinės tarp perlito ir troostito.
Perlitas yra ferito ir cementito grūdelių derinys, kuris gali būti granuliuotas arba sluoksninis. Susidaro dėl sklandaus austenito skilimo, kai aušinimo greitis yra 1˚C per sekundę.
Beititas ir troostitas labiau susiję su kietėjimo struktūromis, o grūdinimo, atkaitinimo ir normalizavimo metu taip pat gali susidaryti sorbitas ir perlitas, kurių ypatybės lemia grūdelių formą ir dydį.
Atkaitinimo poveikisaustenito skilimo ypatybės
Praktiškai visi atkaitinimo ir normalizavimo tipai yra pagrįsti abipuse austenito transformacija. Hipoeutektoidiniams plienams taikomas pilnas ir nepilnas atkaitinimas. Dalys kaitinamos krosnyje virš kritinių taškų Ac3 ir Ac1. Pirmajam tipui būdingas ilgas laikymo laikotarpis, užtikrinantis visišką transformaciją: feritas-austenitas ir perlitas-austenitas. Po to lėtai atšaldomi ruošiniai krosnyje. Išeigoje gaunamas smulkiai dispersinis ferito ir perlito mišinys, be vidinių įtempimų, plastiškas ir patvarus. Nebaigtas atkaitinimas yra mažiau energijos reikalaujantis ir tik pakeičia perlito struktūrą, todėl feritas praktiškai nepakito. Normalizavimas reiškia didesnį temperatūros mažėjimo greitį, bet taip pat šiurkštesnę ir mažiau plastikinę struktūrą prie išėjimo. Plieno lydiniams, kuriuose anglies kiekis yra nuo 0,8 iki 1,3 %, atvėsus, kaip normalizavimo dalis, skilimas vyksta kryptimis: austenitas-perlitas ir austenitas-cementitas.
Kitas terminis apdorojimas, pagrįstas struktūriniais pokyčiais, yra homogenizavimas. Jis tinka didelėms dalims. Tai reiškia absoliutų austenitinės stambiagrūdės būsenos pasiekimą 1000–1200 ° C temperatūroje ir krosnyje iki 15 valandų. Izoterminiai procesai tęsiasi lėtai aušinant, o tai padeda išlyginti metalines konstrukcijas.
Izoterminis atkaitinimas
Kiekvienas iš išvardytų metodų, kaip paveikti metalą, kad būtų lengviau suprastilaikoma izotermine austenito transformacija. Tačiau kiekvienas iš jų tik tam tikrame etape turi būdingų bruožų. Tiesą sakant, pokyčiai vyksta nuolat mažėjant karščiui, kurio greitis lemia rezultatą.
Vienas iš metodų, artimiausių idealioms sąlygoms, yra izoterminis atkaitinimas. Jo esmė taip pat yra kaitinimas ir laikymas iki visiško visų konstrukcijų suirimo į austenitą. Aušinimas įgyvendinamas keliais etapais, o tai prisideda prie lėtesnio, ilgesnio ir termiškai stabilesnio skilimo.
- Spartus temperatūros kritimas iki 100˚C žemiau kintamosios srovės taško1.
- Priverstinis pasiektos vertės išlaikymas (dedant į krosnį) ilgą laiką, kol baigsis ferito-perlito fazių susidarymo procesai.
- Vėsinimas ramiame ore.
Šis metodas taip pat taikomas legiruotajam plienui, kuriam būdingas liekamasis austenitas atvėsusiame būsenoje.
Išlaikytas austenitas ir austenitinis plienas
Kartais galimas nepilnas skilimas, kai lieka austenito. Tai gali atsitikti tokiomis situacijomis:
- Aušinamas per greitai, kai neįvyksta visiškas irimas. Tai struktūrinis bainito arba martensito komponentas.
- Daug anglies arba mažai legiruoto plieno, kuriam sudėtingi austenitinių dispersinių virsmų procesai. Reikia specialių terminio apdorojimo metodų, pvz., homogenizavimo arba izoterminio atkaitinimo.
Daugiai legiruotiems –aprašytų transformacijų procesų nėra. Plieno legiravimas su nikeliu, manganu, chromu prisideda prie austenito, kaip pagrindinės tvirtos struktūros, susidarymo, o tai nereikalauja papildomo poveikio. Austenitiniai plienai pasižymi dideliu stiprumu, atsparumu korozijai ir karščiui, atsparumu karščiui ir atsparumu sunkioms agresyvioms darbo sąlygoms.
Austenitas – tai konstrukcija, kurios nesusidarius negalimas plieno kaitinimas aukštoje temperatūroje ir kuri dalyvauja beveik visuose jo terminio apdorojimo būduose, siekiant pagerinti mechanines ir technologines savybes.
