Przemiana stali podczas chłodzenia

Transformacja stali podczas chłodzenia       

Chłodzenie jest nieodzownym krokiem w procesie obróbki cieplnej.        

Po podgrzaniu części stalowej i utrzymaniu jej w określonej temperaturze w celu uzyskania austenitu o drobnych i jednorodnych ziarnach, następuje chłodzenie.

• Przechłodzony austenit: Austenit, który pozostaje nietransformowany (pod względem struktury) poniżej punktu krytycznego A₁.
• W tym momencie przechłodzony austenit nie ulega natychmiastowej transformacji; zamiast tego znajduje się w stanie termodynamicznie niestabilnym (jako niestabilna struktura) i ostatecznie ulegnie transformacji.
• W zależności od stopnia przechłodzenia (tj. różnych temperatur transformacji), przechłodzony austenit przechodzi trzy rodzaje transformacji:
• Transformacja pereklityczna
• Transformacja bainityczna
• Transformacja martenzytyczna

• Warunek transformacji: Przechłodzony austenit przekształca się w strukturę typu pereklitycznego w zakresie temperatur od A₁ → 550°C.
• Produkt transformacji: Mechaniczna mieszanina składająca się z naprzemiennych blaszek ferrytu i cementytu.
• Perylit jest jedną z pięciu najbardziej podstawowych struktur w stopach żelazo-węgiel. Oznaczany jest literą "P" (od "Perylit"). Nazwa pochodzi od jego perłowego połysku.     
•   

Sorbit (S)

Temperatura tworzenia: 650 ~ 600°C; ma stosunkowo cienkie blaszki o grubości około 80 ~ 150 nm. Blaszki są trudne do rozróżnienia pod mikroskopem optycznym i można je zidentyfikować tylko jako strukturę blaszkową ferrytu i cementytu pod mikroskopem optycznym o dużym powiększeniu (przy powiększeniu 800 ~ 1500×).

Troostyt (T)

Temperatura tworzenia: 600 ~ 550°C; ma niezwykle cienkie blaszki o grubości około 30 ~ 80 nm. Cechy blaszkowe nie mogą być w ogóle rozróżnione pod mikroskopem optycznym i można je zidentyfikować tylko pod mikroskopem elektronowym.

Temperatura austenityzacji i wielkość ziarna austenitu przed transformacją wpływają tylko na wielkość kolonii pereklitu, ale nie mają wpływu na odstępy między blaszkami.

Od pereklitu (P) do sorbitu (S), a następnie do troostytu (T), im niższa temperatura, tym mniejszy odstęp między blaszkami i wyższa wytrzymałość i twardość. Różnią się one tylko drobnością blaszek i właściwościami, bez zasadniczego rozróżnienia.

Podobnie jak proces austenityzacji podczas ogrzewania, proces transformacji pereklitycznej podczas chłodzenia jest również procesem nukleacji i wzrostu w stanie stałym.

Podobnie, ze względu na nieregularne rozmieszczenie atomów na granicach ziaren, wraz z większą liczbą defektów, takich jak wakacje i dyslokacje, łatwo zachodzi przegrupowanie atomów, więc cementyt najpierw nukleuje na granicach ziaren austenitu.

Po nukleacji cementytu zaczyna on rosnąć. Podczas procesu wzrostu zawartość węgla w austenicie po obu stronach cementytu maleje, co sprzyja nukleacji ferrytu. Te dwa nukleują i rosną naprzemiennie, tworząc wielokrotne struktury blaszkowe złożone z ferrytu i Fe₃C.

Jednocześnie nukleacja i wzrost rozpoczynają się również jednocześnie w innych częściach granic ziaren, tworząc wiele kolonii pereklitu o różnych orientacjach.

Te kolonie pereklitu rosną i łączą się w ciągłą masę i ostatecznie cała struktura przekształca się w perlit; w ten sposób transformacja przechłodzonego austenitu w perlit jest zakończona.

Ponieważ atomy żelaza i węgla dyfundują wystarczająco ze względu na wysoką temperaturę podczas transformacji austenitu w perlit, proces ten nazywany jest transformacją dyfuzyjną.

• Warunek transformacji: Przechłodzony austenit przekształca się w zakresie temperatur od 550°C ~ Ms. Dla stali eutektoidalnej temperatura Ms wynosi 230°C.
• Produkt transformacji: Dwufazowa mieszanina mechaniczna Fe₃C (cementytu) i ferrytu nasyconego węglem, oznaczona literą "B".
• W 1930 roku E.S. Davenport i E.C. Bain po raz pierwszy zaobserwowali strukturę metalograficzną produktu transformacji w stali po izotermicznej transformacji w średniej temperaturze. Później, aby uhonorować wkład Baina, struktura ta została nazwana "Bainitem".
• W oparciu o różnice w ich morfologii mikrostrukturalnej, bainit można podzielić na:
• Bainit górny (B_u)
• Bainit dolny (B_l)

• Morfologia: Pierzasta.

   

  Niespójny cementyt w kształcie pręcików (Fe₃C) jest rozmieszczony między równoległymi listwami ferrytu, które rosną od granic ziaren austenitu do wnętrza ziarna.

  

• Bainit dolny (B₍lower₎ / Bₗ)

   

  Morfologia: Liści bambusa. Drobne płatkowe węgliki (Fe₃C) są rozmieszczone na igłach ferrytu.

  Charakterystyka wydajności bainitu dolnego:

  Węgliki w bainicie dolnym są drobne i równomiernie rozmieszczone. Oprócz wysokiej wytrzymałości i twardości, ma również dobrą plastyczność i ciągliwość, co czyni go powszechnie stosowaną strukturą w produkcji przemysłowej. Uzyskanie struktury bainitu dolnego jest jedną z metod wzmacniania materiałów stalowych.

  W warunkach tej samej twardości, odporność na zużycie struktury bainitu dolnego jest znacznie lepsza niż martenzytu, która może osiągnąć 1 do 3 razy więcej niż martenzyt. Dlatego uzyskanie bainitu dolnego jako struktury macierzystej w materiałach żelaznych i stalowych jest celem realizowanym przez naukowców i inżynierów.

  

   

   

  1) Proces tworzenia bainitu górnego

   

  Gdy temperatura transformacji jest stosunkowo wysoka (550 ~ 350°C), jądra ferrytu są preferencyjnie tworzone w obszarach austenitu o niskiej zawartości węgla. Jądra te następnie rosną równolegle od granic ziaren austenitu do wnętrza ziarna. Tymczasem, w miarę wzrostu ferrytu, nadmiar atomów węgla dyfunduje do otaczającego austenitu. Wreszcie, krótkie pręcikowe lub małe płatkowe Fe₃C (cementyt) wytrącają się między listwami ferrytu, rozmieszczone w sposób nieciągły wśród równoległych i gęstych listw ferrytu, tworząc w ten sposób pierzasty bainit górny.