glava 6.pdf

6 FAZNE PROMENE U

ČVRSTOM STANJU KOD ČELIKA

Fazne promene kod čelika nastaju zahvaljujući polimorfiji gvoždja i opadanju rastvorljivosti ugljenika u gvoždju sa padom temperature.

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

Studija faznih promena u čvrstom stanju kod metala nema dugu istoriju: poče-tak doseže do godine 1868., kada je bio objavljen rad Černova koji predstavlja je-dan od kamena temeljaca za izučavanje faznih promena. Dalji je razvoj ove disci-pline bio veoma brz; razvoj eksperimentalnih metoda, naročito u poslednje vreme, omogućio je da se umesto opisa reakcija u čvrstom stanju, dà njihov kvantitativan prikaz.

Difuzione fazne promene počinju grupisanjem atoma, zatim obrazovanjem kli-ca i njihovim daljim rastom (slično kao pri kristalizaciji). Ove promene su rezultat prirodne težnje sistema (u ovom slučaju Fe-C) da svoju slobodnu energiju svede na minimum podoban datoj temperaturi. Ravnoteža dveju faza u jednokomponentnom sistemu (npr. tečnog i očvrslog gvoždja pri konstantnoj temperaturi) uslovljena je jednakošću njihovih slobodnih energija, a ravnoteža u višekomponentnom sistemu jednakošću hemijskih potencijala, tj. prvog izvoda slobodne energije po koncentra-ciji (vidi sl. 4.10, gde ∂G/∂c pokazuje da je stabilniji sistem austenit-grafit nego sis-tem austenit-cementit).

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

Mašinski materijali

132

Strukturne promene pri termičkoj obradi se ostvaruju u grupi kristala, to znači da će na njihov tok imati uticaj i kristalografski odnosi izmedju početne i novonas-tale faze.

Uslov za dalji rast klica je da one dostignu kritičnu veličinu (vidi sl. 3.4) i da se daljim grupisanjem atoma smanjuje slobodna energija sistema. Verovatnoća da se iz klice stvori nova faza utoliko je veća ukoliko je dovoljan manji kritičan nukleus koji može nastati i pri maloj aktivacionoj energiji nukleacije. Na brzinu promene utiču istovremeno dva faktora: stepen pothladjivanja i brzina difuzije, što se može uočiti ako se prate promene austenita na nekoj konstantnoj temperaturi (izotermič-ka promena ispod 727ºC). Ispod ove temperature austenit je nestabilna faza, pa se menja u perlit jer je slobodna energija austenita veća nego perlita. Što je veći ste-pen pothladjivanja (∆T) raste razlika slobodnih energija A PG G G∆ = − , pa se brže odvija transformacija austenita u perlit. Ali, sa porastom ∆T, tj. snižavanjem reakcione temperature smanjuje se brzina difuzije, što usporava kako brzinu nukleacije tako i brzinu rasta. Kao rezultat ova dva protivurečna uticaja, brzina promene austenita u početku raste sa povećanjem stepena pothladjivanja (∆T), dostiže maksimum na oko 550ºC i najzad opada dostižući gotovo nultu vrednost na 216ºC za eutektoidni čelik (sl. 6.1). Ispod ove temperature nastaju bezdifuzione promene.

Tem

pera

tura

vr, vn, vp

T0 = 727°C

vr

vp

vn

Vreme promene

Brz

ina

nukl

eaci

je (v

n)B

roj k

lica

u je

dini

ci z

apre

min

e (n

)

vn

n

Bezdifuziona promenaT3 ≈ 216°C

T3

T2

T1

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

Pri proučavanju faznih promena, brzina nukleacije pri izotermičkoj promeni može se odrediti na osnovu broja čestica nove faze na jediničnoj površini uzorka pri različitim vremenima reakcije; grafičkim diferenciranjem krive: broj čestica - vreme dobija se ta brzina (sl. 6.2). Češće se odredjuje ukupna brzina promene tako što se metalografski ili dilatometrijski utvrdjuje količina nove faze. Trenutak kada se obrazuje 0.5% nove faze smatra se za početak promena, a kada se formira 99.5% nove faze, to je kraj promene (sl. 6.3). Vremenski interval do početka promene (gde je brzina promene veoma mala) označava se kao period stabilnog austenita ili vreme inkubacije. Nacrtamo li inkubacioni period i stvarno vreme reakcije u dija-gramu temperatura - vreme za ceo interval mogućih transformacionih temperatura,

Fazne promene u čvrstom stanju kod čelika

133

npr. eutektoidnog čelika, dobijamo tzv. krivu početka i krivu završetka izotermičke promene (sl. 6.4).

0.5

99.5

T2 T3 T1

Vreme

Količ

ina

nast

ale

faze

, %

T1 ≈ 700°CT2 ≈ 550°CT3 ≈ 250°C

Slika 6.3 Kinetičke krive izotermičke promene

Kao što je već bilo spomenuto, fazne promene metala i legura ostvaruju se u kristalnim grupama, te se zato ne može zanemariti veza prvobitne kristalne rešetke i novostvorene faze. U kristalografskim rešetkama raznih tipova postoje ravni i pravci u kojima je razmeštaj čvornih tačaka uzajamno sličan (npr. ravan [111] i pravac <110> u površinski centriranoj kubnoj rešetki i ravan [110] i pravac <111> u prostorno centriranoj kubnoj rešetki).

Rešetke nove faze se prvenstveno orijentišu tako da odgovarajuće ravni i pravci u njima budu saglasne ravnima i pravcima sa sličnim razmeštajem čvorova u pola-znoj fazi. Ako je saglasnost potpuna, atomi na dodirnim površinama popunjavaju istovremeno čvorove nove i prvobitne rešetke - zadržan je kontinuitet rešetke obe faze - obe rešetke su koherentne; govorimo o koherentnoj nukleaciji. Iz koherent-nih klica stvara se nova faza koja zadržava kontinuitet stare rešetke pa se stoga iz-

medju dvaju faza javlja veoma ma-la površinska energija. Da bi ta granična površina bila koherentna, klica može formirati metastabilnu rešetku (blisku rešetki prvobitne fa-ze - matrice) ili rešetku nove faze deformisanjem približiti matičnoj rešetki. Prve klice nove faze pojav-ljuju se na mestima greški kristalne rešetke, uglavnom na granicama kristalnih zrna (vidi sl. 6.10a). To znači da kod polikristalnih materi-jala, grupisanje atoma nove faze počinje oko stranih čestica i da se tu odigrava heterogena nukleacija.

Početak promene

Kraj promene

T1

T2

T3

T0

Tem

pera

tura

Vreme

Vremeinkubacije

Vremepromene

Slika 6.4 Kinetički dijagram izotermičke promene


134

6.1 Promena pothladjenog austenita

Pri veoma sporom hladjenju austenita ugljeničnog podeutektoidnog čelika, po-činje izlučivanje ferita ispod kritične temperature A3

1, a kod nadeutektoidnih čelika počinje formiranje sekundarnog cementita ispod tačke ACm (sl. 6.5). Te se faze iz-lučuju do temperature eutektoidne linije u količini koja se može ustanoviti u ravno-težnom dijagramu pravilom poluge. Posle dostizanja eutektoidne temperature preo-stali austenit se menja u perlit. Pri većim brzinama hladjenja može se privremeno zadržati homogena austenitna struktura i na temperaturama ispod A1, pa se veliči-nom temperature pothladjivanja može uticati u relativno širokom opsegu na raspad pothladjenog austenita.

Suština raspada austenita u ravnotežnim uslovima vezana je za polimorfnu promenu austeni-ta u ferit što dovodi do snižava-nja koncentracije ugljenika u čvrstom rastvoru i obrazovanja cementita. Promena površinski centrirane rešetke γ u prostorno centriranu rešetku α ostvaruje se s jedne strane difuzijom atoma gvoždja i s druge strane difuzi-jom atoma ugljenika. Obe vrste difuzije (supstitucijska i intersti-cijska) zavise od temperature raspada austenita. U uslovima bliskim ravnotežnim (to znači pri malom pothladjenju) odvija-će se reakcije kako difuzijom gvoždja (i supstitucijski rastvo-

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

Pri većem pothladjivanju austenita do temperature pri kojoj brzina difuzije gvoždja i supstitucijski rastvorenih primesa opada do zanemarljivih vrednosti, osta-je mogućnost difuzije atoma rastvorenih intersticijski (pre svega ugljenika), nastaje bejnitna promena; produkt raspada austenita u ovakvim uslovima je bejnit - nerav-notežna smesa pločastih (iveričastih) kristala prehladjenog čvrstog rastvora α i sit-nih karbidnih čestica. Pri znatnom pothladjivanju austenita, kada su obe vrste difu-zije onemogućene, dolazi do bezdifuzione martenzitne promene; produkt ovakve promene austenita jeste neravnotežni, presićeni čvrst rastvor ugljenika u α - gvož- 1 Definicije kritičnih temperatura čelika date su u tablici 7.1.

Koncentracija C

Tem

pera

tura

G

S

EIzlučivanjeproeutektoidnogperlita

Izlučivanjeproeutektoidnogcementita

Difu

zion

a pr

omen

aBe

zdifu

zion

a

Difu

zija

inte

rstic

. ato

ma

Difu

zija

sup

stitu

c. a

tom

a

Perlitna promena

Bejnitna promena

Martenzitna promena

αγ + α γ + Fe3C

Slika 6.5 Oblasti glavnih promena pothladjenog austenita


135

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

Kod podeutektoidnih ili nadeutektoidnih čelika promene austenita, pri sporom hladjenju počinju izlučivanjem ferita odnosno sekundarnog cementita. Te se pro-mene označavaju kao proeutektoidne i imaju veliki uticaj na strukturu i osobine če-lika i na potonje promene preostalog austenita.

6.1.1 Obrazovanje proeutektoidnih faza

Proeutektoidni ferit ili sekundarni cementit se mogu izlučivati iz austenita onda kada se ta matična faza presiti samo sa jednom ili sa obe niskotemperaturske faze1. Npr. proeutektoidni ferit može nastati onda kada sastav i temperatura austenita od-govaraju tačkama u ravnotežnom dijagramu gvoždje-ugljenik, koje leže ispod krive GS (npr. tačka A, sl. 6.6) i u neravnotežnim uslovima iznad produžetka krive SE (npr. tačka B). Slično će se i u nadeutektoidnom čeliku izlučivati proeutektoidni cementit, budu li sastav i temperatura austenita dati tačkom koja leži ispod krive SE, ali i iznad produžetka krive GS (npr. tačka C za ravnotežne i D za neravnotež-ne uslove). Ako bi razmatrana tačka ležala ispod obeju krivih (npr. tačke E', F), bio bi austenit presićen kako feritom (tj. gvoždjem) tako i cementitom (tj. ugljenikom). U takvim bi se uslovima iz austenita izlučivali istovremeno ferit i cementit - odvi-jao bi se onda eutektoidni raspad pothladjenog austenita i bez proeutektoidnih rea-

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

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

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

1 Niskotemperaturske faze kod ugljeničnih čelika su ferit i cementit.

Koncentracija C, %

Tem

pera

tura

, °C

G

A

B

S

E'

FD

C

E

727°C

675°C

0.65% 0.77% 1.0%

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


136

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

Pri većim brzinama hladjenja, to znači pri većem pothladjivanju (i presi-ćenju) austenita, kao posledica dovoljno velike promene slobodne energije ∆G moguće je da se klice proeutektoidne fa-ze pojave i na mestima gde je potrebna

veća aktivaciona energija nukleacije; takodje će brzina rasta klice u tim uslovima biti veća. Tada je energetski povoljnije da se obrazuje ferit u obliku iverica čiji su šiljci usmereni ka središtu austenitnih zrna (sl. 6.8) nego da dodje do ravnomernog zadebljanja mrežaste feritne faze. Tako nastaje nepovoljna tzv. Vidmanštetenova struktura, koju posle potonje perlitne promene preostalog austenita čine iverice fe-rita i zrna perlita.

Obrazovanje Vidmanštetenovih pločica omogućuje ubrzavanje promena jer je porast debljine mrežaste faze povezan sa većim difuzionim putevima ugljenika. Trenutak kad prestane zadebljanje mrežaste faze, i počne formiranje Vidmanštete-nove strukture zavisi i od veličine austenitnih zrna. Ta se struktura pojavljuje veo-ma često u čeličnim odlivcima (0.2-0.4% C), koji imaju grubo početno austenitno zrno. Kod plastično preradjenih čelika njihovo austenitno zrno je u osnovi sitnije, pa se navedena struktura (Vidmanštetenova) redje javlja, uglavnom u zoni uticaja toplote zavarenog spoja, u kojoj može zrno austenita znatno porasti.

Pojava Vidmanštetenove strukture je jedan od uzroka krtosti čeličnih odli-vaka u stanju po livenju; zato se čelični odlivci termički obradjuju postupcima žarenja sa faznim promenama čime se austenitno zrno usitnjava. Takodje je iz ovih razloga pogodno, kod zavarenih čeličnih delova, izvesti prekristalizacio-no žarenje (iznad AC3), ili još bolje normalizaciju.

Na pojavu Vidmanštetenove struk-ture utiče pored veličine austenitnog zr-na takodje i temperatura pothladjivanja i sastav austenita. Oblast temperatura i koncentracija gde se pojavljuju mrežas-te proeutektoidne faze duž granice aus-

Austenit

Mrežasteproeutektoidnefaze (ferita ilicementita)

Slika 6.7 Mrežaste proeutektoidne faze na granicama austenitnih zrna

Vidmanštetenove pločice (iverice)proeutektoidne faze

Austenit

→ perlit727°C

Slika 6.8 Pojava Vidmanštetenovih pločica (iverica) proeutektoidne faze


137

tenitnih zrna, Vidmanštetenove pločice ili zrnasta struktura proeu-tektoidnih faza, označene su na sl. 6.9. Zrnasta struktura proeutektoid-nog ferita nastaje u čelicima sa nis-kim sadržajem ugljenika, gde je udeo te proeutektoidne faze visok.

Slično kao proeutektoidni ferit, javlja se i proeutektoidni cementit (sekundarni) u strukturi nadeutek-toidnih čelika u različitim oblicima (mrežasti, Vidmanštetenove pločice ili iverice) (sl. 6.9, C > 0.77%). Zr-nasta struktura proeutektoidnog cementita se kod nadeutektoidnih čelika ne pojavljuje.

6.1.2 Perlitna promena

U ravnotežnim uslovima, iz austenita koji sadrži 0.77% C izdvaja se (pri kon-stantnoj temperaturi, 727ºC) smesa ferita (~ 88%) i cementita (~ 12%), koja se na-ziva eutektoidni perlit. Pri većim brzinama hladjenja perlit nastaje iz austenita i is-pod 727°C sve dok je termodinamički moguće da se iz γ-faze izluče istovremeno ferit i cementit. Za to je neophodna dovoljno visoka temperatura za difuziju uglje-nika, kao i difuziju gvoždja i supstitucijski rastvorenih atoma primesa. Temperatu-ru i hemijski sastav početnog austenita, koji se može transformisati u perlit, daje oblast metastabilne ravnoteže tri faze (austenita, ferita i cementita) omedjena pro-duženim krivama GS i ES ispod eutektoidne linije (sl. 6.6). U ovim uslovima kon-centracije ugljenika i temperature raspada austenita može nastati perlitna struktura. Posle dovoljno brzog hladjenja, kada je austenit pothladjen do šrafirane oblasti (sl. 6.6) može se dobiti čisto perlitna struktura kako kod podeutektoidnih, tako i nadeu-tektoidnih čelika bliskih eutektoidnom sastavu. Ispitivanjem je utvrdjeno da kvazi-eutektoidni perlit može nastati pri sadržaju ugljenika u čeliku od 0.65-1% C, i do temperature pothladjivanja od 675ºC. Udeo cementita u kvazi-eutektoidnom perlitu podeutektoidnog čelika, biće manji od ravnotežnih 12%, a ferita više od ravnotež-nih 88%. Obrnuto važi za taj perlit kod nadeutektoidnog čelika.

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

G

S

E

727°C

Koncentracija C, %0.022 0.77 2.11

Tem

pera

tura

, °C

Poliedarskazrna ferita

Mrežasteproeutektoidne

faze

Vidmanštetenove pločice (iglice)

Slika 6.9 Oblasti pojave proeutektoidnog ferita i sekundarnog cementita različite morfologije


138

metak" (tzv. vodeća faza) uvek cementit, pokazalo se danas da to može biti takodje i ferit. Za uslove potladjivanja kad se iz austenita ne izlučuju proeutektoidne faze već se austenit transformiše direktno u perlit, pojaviće se kao aktivna klica ona faza koja bi se i inače izlučila iz austenita u ravnotežnom dijagramu. Npr. u austenitu, čiji sastav i temperaturu odredjuju tačke koje leže (u šrafiranoj oblasti) bliže produ-žetku krive SE, aktivni zametak biće ferit; pri temperaturama i sastavima austenita bliskim produžetku krive GS to će biti cementit (sl. 6.6).

a)

b)

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

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

Ove faze ometaju jedna drugu pri bočnom rastu, pa pretežno rastu čeono, tj. po dužini u pravcu upravnom na granice austenitnih zrna (sl. 6.10). Lamele ferita i cementita uzajamno su paralelne, tako da obrazuju kolonije zrna perlita. Na nekim mestima se slučajno može pojaviti drukčije orijentisana klica, za kojom rastu nove perlitne kolonije (sl. 6.10b). 1 Morfologija (grč.), nauka o oblicima.


139

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

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

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

Za trasformacije pri malom pothladjenju se pretpostavlja da na jedno austenitno zrno dolazi samo jedna klica, pa će rezultujuća perlitna struktura biti gruba. Sa opadanjem reakcione temperature povećava se broj klica, pa perlitna zrna postaju sitnija, a medjulamelarna udaljenost (debljina dvojne lamele: ferit + cementit) se smanjuje. U okolini temperature 550°C nastaje veoma sitan perlit koji se nekada označavao kao trustit. Usitnjavanjem perlitnih zrna dolazi do porasta ne samo tvr-doće, napona tečenja i jačine čelika, već i svojstava plastičnosti i žilavosti. Razlog tome je što je kod finijih zrna veća povezanost duktilnog ferita i krtog cementita.

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

6.1.3 Martenzitna promena

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


140

tracijom ugljenika C1 [γ(C1)] hladi većom brzinom nego što je tzv. kritična brzina, ostaće koncentracija ugljenika u čvrstom rastvoru α ista: 1 1( ) ( )C Cγ α→ γ.

Atom C

Atomi Fe

a = b = 0.2845 nmc = 0.297 nm

0

20

40

60

80

100 0

20

40

80

60

1001000 200-100-200

Mf

Ms

Temperatura, °C

Količ

ina

aust

enita

, %

Količ

ina

mar

tenz

ita,

%

Ms - Martensite startMf - Martensite finish

a) b)

Slika 6.11 Martenzitna tetragonalna rešetka (a) i kinetička kriva promene austenita u martenzit (b)

Čvrst rastvor α jako presićen ugljenikom naziva se martenzit (sl. 6.11a). Pošto su atomi u intersticijskom položaju postavljeni pretežno u pravcu parametra c, do-lazi do istezanja kubne prostorno centrirane rešetke α-gvoždja u tetragonalnu reše-tku. Stepen tetragonalnosti c/a tj. odnos parametara rešetke martenzita je zavisan od sadržaja ugljenika i dat je na slici 6.12.

Martenzitna promena dovodi do veoma visoke tvrdoće čelika. Pored homogene i heterogene deformacije kristalne rešetke, nastupa u čeliku još i lokalna elastična deformacija u okolini intersticijskog atoma ugljenika. Tvrdoća i jačina čelika je ta-da uslovljena uglavnom tim naponom pošto je pokretljivost dislokacija u rešetki sa visokom elastičnom distorzijom otežana.

Kinetička kriva promene austenita u martenzit (sl. 6.11b) pokazuje da tran-sformacija počinje na Ms- temperaturi (216ºC za eutektoidni čelik), a završava na temperaturi Mf ≈ -150ºC. Posle hladjenja ispod temperature Ms deo austenita se ne transformiše i ostaje zadržan kao tzv. zaostali austenit. Transformacija austenit→martenzit povezana je sa povećanjem zapremine (promena zapremine može preći i 5%). Martenzitni agregat, zbog svoje veće specifične zapremine, u odnosu na zaos-tali austenit stvara naponsko polje. Treba li dalje zapremine austenita transformisati u martenzit, moraju takodje i one da povećaju svoju početnu zapreminu, čime se u medjufaznim zonama i dalje povećava napon. Povećana elastična deformacija delu-je svojim energetskim efektom protiv dalje transformacije, te se raspad austenita zaustavlja i deo austenita ostaje nepromenjen kao zaostali austenit.


141

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

Na veličinu temperatura Ms i Mf, pa i temperaturski interval u kome se odvija martenzitna promena, najviše utiče količina ugljenika rastvorenog u austenitu (nikako ukupna količina ugljeni-ka u leguri); manji uticaj imaju ostali legirajući elementi. Svi elementi rastvoreni u austenitu, osim aluminijuma i kobalta, sni-žavaju temperaturu Ms. Tok promene temperatura Ms i Mf ugljeničnih čelika u zavisnosti od sadržaja ugljenika u austenitu dat je na sl. 6.13. Sa slike se za-paža da pri sadržaju oko 0.6% C temperatura Mf odgovara tački mržnjenja, a za sve više sadržaje ugljenika u austenitu Mf je ispod te tačke. Taj tok istovremeno pokazuje da je čelike sa višim sadržajem ugljenika (nadeutekto-idne) potrebno kaliti sa tempera-ture koja je neznatno iznad A1. Kaljenjem sa viših temperatura, austenit rastvara više ugljenika, pa posle kaljenja u strukturi osta-je zadržana veća količina zaosta-log austenita.

Zaostali austenit je, naročito kod alatnih čelika, nepoželjna strukturna komponenta. Kod če-lika sa porastom količine zaosta-log austenita opada tvrdoća, a kao posledica raspada zaostalog

Ms

Mf

0.2 0.6 1.0 1.4 1.8

0

200

400

600

-200

Sadržaj C, maseni %

Tem

pera

tura

, °C

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

a1

c

c/a

a

0.2 0.6 1.0 1.4 1.8

1.00

1.04

1.08

0.356

0.360

0.364

0.308

0.304

0.300

0.296

0.292

0.288

0.284

Para

met

ar re

šetk

e m

arte

nzita

, (a,

c),

nm

Tetra

gona

lnos

t, (c

/a)

Para

met

ar re

šetk

eau

sten

ita, (

a 1),

nm

Sadržaj C, maseni %

Slika 6.12 Zavisnost parametara rešetke od sadržaja ugljenika


142

austenita pri radnim ili slučajno povišenim temperaturama dolazi do promene di-menzija delova. Udeo zaostalog austenita može se sniziti tako što se kaljenje u kadi (20°C) dopunjuje dodatnim hladjenjem na temperaturi ispod Mf. Ovakvo kaljenje tzv. zamrzavanje se izvodi pre svega kod nekih alatnih čelika. Najčešći način sni-ženja udela zaostalog austenita ili njegovog odstranjivanja ipak je otpuštanje. Tran-sformacija austenita u martenzit zavisna je u velikoj meri takodje i od spoljnih na-pona koji mogu povećati ili sniziti temperaturu Ms. Jednoosni zatežući ili pritisku-jući naponi povećavaju temperaturu Ms, dok hidraulični (svestrani) pritisak snižava Ms temperaturu. Pritisna deformacija može povećati temperaturu Ms do granične temperature koja se označava sa Md (martensite deformation).

a) b)

Slika 6.14 Shematski prikaz strukture zakaljenog čelika (a) i mikrostruktura martenzita (b)

Mikrostrukturu zakaljenog čelika sastoji se iz pločastih ili iveričastih kristala martenzita, izmedju kojih je rasporedjen netransformisani - zaostali austenit. Prikaz kaljene strukture dat je šematski na sl. 6.14.

6.1.4 Bejnitna promena

Produkt izotermičkog preobražaja pothladjenog austenita na nekoj temperaturi u oblasti od ∼550°C do tačke Ms je prelazna strukturna komponenta - bejnit. Kao što je ranije pomenuto bejnitna promena se ostvaruje pri temperaturi na kojoj pres-taje difuzija supstitucijski rastvorenih elemenata, a ostaje samo intersticijska difuzi-ja. To znači da ugljenik difunduje iz pothladjenog austenita čime se stvaraju zone koje su osiromašene ili obogaćene ugljenikom. Takve zone transformišu se u presi-ćen ferit i igličasti cementit koji zajedno čine bejnit. Presićen ferit zove se i bejnitni ferit (sl. 6.15).


143

Slika 6.15 Shema pojave gornjeg bejnita

Struktura bejnita zavisi od temperature na kojoj se odvija preobražaj. Kod po-deutektoidnih čelika (ugljeničnih i niskolegiranih) nastaje pri temperaturi (550 do 350ºC) tzv. gornji bejnit; čine ga lamele bejnitnog ferita i njima paralelne čestice karbida (cementita) (sl. 6.15). Sa slike se vidi da se najpre obrazuje klica bejnitnog ferita koja dalje raste kako frontalno (čeono) tako i bočno; istovremeno se talože cementitne čestice ne samo na bokovima feritnih lamela već i u samim lamelama.

Donji bejnit se obrazuje počev od temperature 350ºC pa do tačke Ms i ima la-melarnu strukturu sličnu martenzitu. Kod donjeg bejnita karbidne čestice smeštene su unutar pločica bejnitnog ferita, pod uglom 55-60º u odnosu na podužnu osu os-novnih feritnih lamela (sl. 6.16).

Slika 6.16 Shema pojave donjeg bejnita

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


144

ljenika zavise od reakcione temperature i takodje od sadržaja i vrste legirajućih elemenata. Najveće obogaćivanje aus-tenita bilo je zapaženo kod podeutektoidnih čelika legiranih silicijumom, aluminijumom ili vanadi-jumom; manji uticaj imaju hrom, nikal i mangan. Mehaničke osobine bejnitnih struk-tura razlikuju se od feritno-perlitne, čis-to perlitne ili martenzitne strukture. Če-lici bejnitne strukture postižu veću ja-činu od eutektoidnih čelika (perlitnih) i podeutektoidnih čelika (perlitno - ferit-nih). U poredjenju sa martenzitnom strukturom (naročito kod čelika sa ve-ćim sadržajem ugljenika) bejnitne stru-kture nemaju tako veliku tvrdoću, ali im je žilavost izrazito veća.

6.2 Transformacioni dijagrami

Dijagrami koji prikazuju tok promene pothladjenog austenita, zavisno od tem-perature i vremena, nazivaju se transformacioni dijagrami. Za razliku od ravnotež-nih dijagrama oni važe za čelik odredjenog hemijskog sastava i za odredjene uslove austenitizacije (veličina zrna, homogenost austenita i dr.). Sadrže podatke o počet-ku i kraju izlučivanja proeutektoidnih faza, kao i temperaturske zone perlitne, bej-nitne i martenzitne promene austenita. Dobijaju se obično pomoću integralnih me-toda (dilatometrija, magnetometrija i dr.) pa stoga daju samo prosečne brzine pro-mena. Pored ovih podataka često se takodje uvode npr. udeli produkta odredjene promene, vrednosti tvrdoća, odgovarajuće izlazne strukture i sl. Danas korišćeni transformacioni dijagrami jesu u dva oblika: izotermički dijagrami, koji daju pro-dukte promene austenita pri odredjenim konstantnim temperaturama, i anizotermi-čki dijagrami koji daju te produkte pri različitim brzinama hladjenja. Dijagrami izotermičkog razlaganja austenita (IRA) od značaja su pre svega za izbor parameta-ra nekih vidova termičke obrade, a dijagram anizotermičkog razlaganja austenita (ARA)1 koristi se kako u praksi termičke obrade, tako i za ocenu zavarljivosti zaka-ljivih čelika.

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

100

50

0

Početaktransformacije

Vremeinkubacije

Količinanetransformisanogaustenita

Vreme

Količ

ina

bejn

ita,

%

Slika 6.17 Kinetička kriva bejnitne transformacije


145

6.2.1 Dijagrami izotermičkog raspada austenita (IRA)

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

727°CA1

AustenitPs A + P

A + B

Pf

BfBsMs

Vreme, s

Tem

pera

tura

, °C

Austenit + martenzit

1 10 102 103 104

Grubi perlit < 20HRC

Fini perlit 30 ÷40HRC

Gornji bejnit 40 ÷ 45HRC

Donji bejnit 50 ÷ 60HRC

Martenzit 65 ÷ 67HRC

700

600

500

400

300

200

100

0

Slika 6.18 Dijagram izotermičkog raspada austenita (IRA) eutektoidnog ugljeničnog čelika

Krive perlitne i bejnitne promene se u odredjenoj oblasti preklapaju (sl. 6.18-crtaste linije); dijagram se ipak u tom delu prikazuje zajedničkom krivom početka i kraja izotermičke promene. Oznaka Ps odgovara delu krive započinjanja promene austenita u perlit, a Pf označava kraj te promene. Donji deo krive (od "kolena" dija-grama ka nižim temperaturama) označava se sa Bs i Bf i daje početak i kraj prome-ne austenita u bejnit.

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


146

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

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

Oblast izotermičkog raspada austenita, čiji su produkti nastali difuzijom, zavr-šava se na temperaturi Ms. Ispod ove temperature odvija se bezdifuziona martenzi-tna promena, koja ima atermički karakter, to znači da je količina martenzita funkci-ja temperature do koje je čelik ohladjen – trenutno se stvara upravo po dostizanju te temperature i daljim zadržavanjem na toj temperaturi struktura se ne menja. Koli-čina martenzita se dakle može povećati samo daljim padom temperature, tj. izoter-mičkim tretmanom na još nižoj temperaturi.

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

Kod čelika drukčijeg sastava od eutektoidnog, promena austenita počinje izlu-čivanjem odgovarajuće proeutektoidne faze. Za čelike sa sadržajem ugljenika ispod 0.77% to je proeutektoidni ferit; početak izlučivanja ferita (sl. 6.19) pokazuje kriva Fs, koja se asimptotski približava kritičnoj temperaturi A3. Sa opadanjem transfor-macione temperature, udeo ferita se u rezultujućoj strukturi smanjuje. Kod nadeu-

Tem

pera

tura

log t, s

Mf

Ms

Bs

Ps

F s

A3

B f

P f

A1

Tem

pera

tura

log t, s

Acm

A1

P f

B fMs

Bs

Ps

Cs

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


147

tektoidnih čelika početak izlučivanja proeutektoidnog cementita odredjuje kriva Cs (sekundarni cementit) (sl. 6.20).

Dijagrami IRA se konstruišu eksperimentalno, na osnovu različitih fizičkih osobina austenita i produkata njegovog preobražaja. Za konstruisanje dijagrama služi npr. dilatometrijska metoda, koja koristi razliku specifične zapremine austeni-ta i novonastalih produkata, rezistometrijska metoda (različit električni otpor), ma-gnetometrijska metoda (austenit je nemagnetičan, novi produkti magnetični) i dr. Za ova ispitivanja se pripremaju manji uzorci, dimenzijski jednaki, koji se posle austenitizacije brzo hlade do različitih temperatura ispod A1; na odgovarajućoj

temperaturi uzorak se zadržava sve do potpunog difuzionog raspada austenita. Iz kinetičke krive (koli-čina nove strukturne komponente-vreme; vidi npr. sl. 6.3) koja odgo-vara datoj temperaturi, utvrdjuje se početak i završetak preobražaja au-stenita. Slične kinetičke krive treba odrediti za različite transformacio-ne temperature u celom temperatur-skom opsegu A1 do Ms. Dijagrami izotermičkog raspada austenita mogu se takodje konstruisati meta-lografskim metodama; mikroskop-skim ispitivanjem se procenjuje ko-ji se udeo austenita pri datoj tempe-raturi i vremenu transformisao i ko-

ji je još ostao nepromenjen. Koristi se grupa malih uzoraka (npr. φ10 × 1 mm) koji se po austenitizaciji brzo hlade na različite temperature ispod A1, na toj reakcionoj temperaturi se drže odredjeno vreme, pa se potom kale u vodi (sl. 6.21). Deo struk-ture koji se držanjem na reakcionoj temperaturi raspao u perlit, ostaje pri hladjenju u vodi nepromenjen, a preostali austenit se u intervalu Ms - Mf menja u martenzit. Potreban je za svaku transformacionu temperaturu veći broj uzoraka, što je i mana ove metode u odnosu na prethodne.

Na oblik i položaj krivih IRA dijagrama utiču mnogi činioci. Svi legirajući elementi, sa izuzetkom Co i Al povećavaju stabilnost austenita, odnosno pomeraju krive početka i kraja promene udesno. Oni takodje podižu ili snižavaju temperaturu najmanje stabilnosti austenita i Ms – temperaturu (sl. 6.22c). Legirajući elementi koji sa gvoždjem obrazuju supstitucijske čvrste rastvore (Ni, Cu) ne menjaju oblik dijagrama već ga samo pomeraju udesno. Karbidotvorni elementi (Mo, Cr, W, V), izrazito menjaju i oblik dijagrama, ali i medjusobno udaljuju perlitnu i bejnitnu zo-nu (sl. 6.22b,d). Pored primarnog uticaja hemijskog sastava čelika, značajno utiču takodje uslovi austenitizacije; veća homogenost i veća austenitna zrna pomeraju krive početka i kraja preobražaja austenita udesno; suprotno tome sitna zrna auste-

Austenizacija

Vreme (log)

MM

PB

P+MB+M

A1

Tem

pera

tura

Slika 6.21 Prikaz termičke obrade uzoraka za konstruisanje IRA dijagrama


148

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

Legirajući elementi i uslovi austenitizacije utiču takodje na po-ložaj temperaturskog intervala u kome se odvija martenzitna pro-mena (Ms - Mf). Svi elementi ras-tvoreni u austenitu snižavaju Ms temperaturu (samo Co i Al je po-većavaju); značajan je naročito

Tem

pera

tura

Tem

pera

tura

A

A+P P

BA+B

A

A+P P

A+B B

log t, slog t, s a) b)

Tem

pera

tura

Tem

pera

tura

Si, A

lN

i,Mn,

Cu

Ni,C

uMn,

Al,C

o

Cr,W

,Mo,

VC

r,W,M

o,V

Mo,

VC

r,W,

Cr,W,Mo,

Cr,W,Mo,

V

VNi,Mn,Cu

Si, Al

Co

A A

M M

log t, s log t, s

C1,3 C1,3

s s

c) d)

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

Ugljenični čelikSitno zrno austenitaNehomogeni austenitStrane čestice u austenitu

Legirani čelikGrubo zrno austenitaHomogeni austenitAustenit bez stranih čestica

Vreme (log)

Tem

pera

tura

Slika 6.23 Shema uticaja nekih činilaca na položaj krivih u IRA - dijagramu


149

uticaj ugljenika koji Ms temperaturu izrazito snižava (vidi sl. 6.13). Na uslove aus-tenitizacije može se pre svega uticati promenom temperature i vremena austenitiza-cije. Sa povećanjem temperature austenitizacije, temperatura Ms opada pre svega kod legiranih čelika, koji uz to sadrže i veći procenat ugljenika. Glavni uzrok tome je porast koncentracije ugljenika i primesa u austenitu, vezan za rastvaranje karbida srazmerno temperaturi. Kao što je poznato, na temperaturu Ms ne utiče ukupan sa-držaj ugljenika i legirajućih elemenata u čeliku već samo deo rastvoren u austenitu. Slično kao temperatura Ms menja se i temperatura Mf, ali je njeno tačno odredjiva-nje teže. Martenzitna promena se na niskim temperaturama zaustavlja uz zadržava-nje odredjene količine nepromenjenog austenita (vidi glavu 6.1.3).

6.2.2 Dijagrami kontinualnog razlaganja austenita (ARA, KH)

Kao što je poznato, pri ravnotežnom hladjenju austenita do tačke AC1, njegova slobodna energija (G) praktično postaje jednaka slobodnoj energiji niskotempera-turskih faza (ferita i cementita). Zato i transformacija austenita u realnim uslovima može nastati samo uz manje ili veće pothladjivanje (ispod AC1), što ga čini metas-tabilnim i sklonim da se brže promeni u stabilniju strukturu.

Ako se ranije navedenim metodama ustanovi vreme početka i kraja transforma-cije austenita u uslovima neprekidnog hladjenja različitim brzinama (npr. na mir-nom vazduhu, pri prinudnom strujanju vazduha, ili u ulju, krečnom mleku, vodi, vodi sa 5-10% NaCl), dobija se dijagram kontinualnog hladjenja, tzv. "KH" dija-gram. Opšti oblici ovog dijagrama prikazani su na slici 6.24a. za ugljenične podeu-tektoidne čelike i na slici 6.24.b za eutektoidni ugljenični čelik. Slično kao i kod izotermičkog razlaganja austenita, najmanjim brzinama hladjenja odgovara feritno-perlitna struktura (F+P) kod podeutektoidnog čelika, odnosno feritno-cementitna (F+Cm) kod nadeutektoidnog čelika. Većim brzinama hladjenja odgovara bejnitni-martenzitna (B+M), a najvećim brzinama hladjenja čisto martenzitna struktura (M).

Ukratko se razlika izmedju IRA i KH-dijagrama može svesti na sledeće: • kod IRA dijagrama početak i kraj promene austenita prate se po izotermi

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

• čisto bejnitna struktura ne može se dobiti kontinualnim hladjenjem već samo u izotermičkim uslovima hladjenja (faktor vreme je bitan za difuziju!) i

• krive kontinualnog hladjenja (KH) pomerene su udesno i dole u odnosu na IRA- dijagram, u što znači da kasni početak i kraj razlaganja austenita i da se pomera ka nižim temperaturama (sl. 6.24b).


150

Analizirajući dalje KH-dijagram (sl. 6.24a) uočava se da, pri brzini hladjenja v1 nešto manjoj od kritične (vkr = v2), jedan deo austenita difuziono se menja u fini perlit (bejnit), a drugi deo ostaje nepromenjen sve do Ms-temperature, kad počinje njegov bezdifuzioni preobražaj u martenzit. Krajnju strukturu tada čine bejnit i martenzit. Ako se brzina hladjenja poveća do v3 (v3 > vkr), difuziona promena aus-tenita više nije moguća, on se prehladjuje do tačke Ms, transformišući se dalje me-hanizmom klizanja u martenzit. Ispitivanja su pokazala da se sav austenit ne tran-sformiše u martenzit, već da u strukturi kaljenih čelika uvek ostaje manja ili veća količina nepreobraženog - zaostalog austenita. Iz dijagrama na slici 6.24a se vidi da pri hladjenju brzinama manjim od vp nastaje konačna struktura ferit + perlit, pri brzini izmedju vp i vb dobija se mešovita struktura ferita, perlita, bejnita i martenzi-ta (F+P+B+M)1. Najzad, brzini hladjenja izmedju vb i v1 odgovara mešovita struk-tura F+B+M.

Minimalna brzina hladjenja, kojom se odlaže promena austenita sve do Ms-temperature, odgovara tangenti na koleno KH krive i naziva se kritična brzina hla-djenja (v2, sl. 6.24a). Nelegirani (ugljenični) čelici imaju veoma veliku kritičnu br-zinu hladjenja koja se kreće od 200-600°C/s; veće brzine odgovaraju niskougljeni-čnim čelicima, a najmanja vkr odgovara eutektoidnom čeliku.

Kod legiranih čelika, svi dodatni elementi (izuzev Co i Al) povećavaju stabil-nost austenita, pomeraju udesno kinetičke krive, to znači da produžuju period in-kubacije, odnosno smanjuju vkr. Najzad, treba istaći da su strukture legiranih čelika složenije od nelegiranih; one mogu biti mešavina ferita, perlita, bejnita, martenzita i nešto zaostalog austenita, pa se kraće nazivaju medjufaznim strukturama.

1 Po odgovarajućoj krivoj hladjenja prate se sve faze u koje se transformiše austenit od tačke A3 do sobne temperature.

AA

c3

c1

ferit + perlit

perlit

austenit

Krajtransformacije

Kriva kontinualnoghladjenja

IRA kriva

Eutektoidni čelik

bejnit + martenzitmartenzit

vvv

log t, s log t, s

vv

v

v

M M

a) b)

M

Mmartenzit M+P perlit

MA

T

TT p

pkrb

1

2

3

s s

f

f

1

1'

'2

Tem

pera

tura

, C0

Tem

pera

tura

, C0

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


151

DEFINICIJE I DOPUNE:

Kinetičke promene: promene zavisne od vremena, tj. od brzine kojom se reakcija odvija. Kinetički parametri promena: brzina nukleacije nove faze i brzina njenog rasta. Aktivaciona energija nukleacije: dodatna energija neophodna za termičko aktivi-ranje reakcije. Brzina nukleacije i brzina rasta: broj novonastalih klica u jedinici vremena i brzina pomeranja granica izmedju nove i početne faze. Kinetičke krive: eksperimentalno odredjene krive ukupne brzine promene stare faze u novu u funkciji vremena. Izotermičke promene: promene koje se odigravaju u toku vremena pri konstant-noj reakcionoj temperaturi. Vreme inkubacije: vremenski interval do početka fazne promene (npr. austenita) na datoj temperaturi. Austenitizacija: proces transformacije niskotemperaturskih faza čelika u aus-tenitnu strukturu; početna struktura može biti feritno-perlitna, perlitna ili perlitno-cementitna; uslovi austenitizacije definišu se temperaturom i vremenom držanja. Difuziona promena austenita: promena koja se odvija počev od perlitne tempera-ture, pa do početka martenzitne transformacije. Bejnit: smeša presićenog α- ferita i sitnih cementitnih (karbidnih) čestica raz-meštenih u bejnitnom feritu. Martenzit: presićeni intersticijski čvrsti rastvor ugljenika u prostorno centriranoj tetragonalnoj rešetki gvoždja. Proeutektoidni ferit: α- ferit koji se obrazuje kod podeutektoidnih čelika razlaganjem austenita na temperaturama ispod tačke AC3 pa do AC1. Niskotemperaturske faze ugljeničnih čelika: faze koje odgovaraju sobnoj tem-peraturi, dobijene u uslovima ravnotežnog hladjenja; to su ferit i cementit. Proeutektoidni cementit: cementit koji se obrazuje razlaganjem austenita nadeu-tektoidnih čelika na temperaturama ispod tačke ACm pa do AC1. Kvazi eutektoidni perlit: perlit dobijen u uslovima pothladjivanja čelika, čiji je sadržaj ugljenika različit od 0.77%; pothladjeni austenit sa sadržajem 0.65-1% C, može se zadržati neraspadnut sve do 675ºC (kada prelazi u kvazi-eutektoid). Vidmanštetenova struktura: struktura igličastog ferita sa vrhovima iglica us-merenim prema središtu perlitnih zrna. Zrnasti perlit: smeša globularnih (okruglih) čestica cemenita u feritnoj osnovi. Sorbit: dvofazna struktura koju čine tanke gusto složene feritne i cementitne čes-tice dobijene pri izotermičkom hladjenju čelika na temperaturi ~ 650ºC.


152

Trustit: dvofazna struktura finog perlita koju čine tanke lamele ferita i cementita dobijene pothladjivanjem i izotermičkim zadržavanjem čelika na ~ 550ºC. Zaostali austenit: deo nepreobraženog austenita koji ostaje u strukturi visokougl-jeničnih čelika (sa C > 0.60%) posle njihovog brzog hladjenja do sobne tempera-ture. Dijagram izotermičkog raspada austenita (IRA): dijagram vreme - temperatura koji pokazuje produkte izotermičkog raspada austenita pri različitim tempera-turama. Daje se za svaki čelik posebno. Dijagram kontinualnog razlaganja austenita (KH): dijagram transformacije če-lika u koordinatnom sistemu temperatura – vreme; u dijagram se upisuju produkti promena pri različitim brzinama kontinualnog hladjenja. Daje se za svaki čelik posebno, kao i za odredjene uslove austenitizacije, tj. temperaturu i vreme zagre-vanja u austenitnom području. Kritična brzina hladjenja: minimalna brzina hladjenja kojom se sprečava difuzi-ona promena austenita sve do temperature početka martenzitne transformacije. Odredjuje se kao tangenta na koleno KH- krive za dati čelik.

PITANJA:

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

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

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

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

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

niti zbog čega deo austenita kod nekih čelika ostaje nepreobražen. 11. Pojam zaostalog austenita, zašto je štetan i kako se on može transformisati? 12. Bejnitna promena, kinetička kriva te promene i vrste bejnita. 13. Razlika izmedju ravnotežnih faznih dijagrama i transformacionih (IRA i ARA)

dijagrama.


153

14. Nacrtati IRA - dijagram eutektoidnog čelika i strukture koje se dobijaju pri izotermičkom žarenju na raznim temperaturama.

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

grama. 17. Šta su to niskotemperaturske faze kod ugljeničnih čelika? 18. Dijagram kontinualnog hladjenja podeutektoidnog čelika (KH- dijagram). 19. Skicirati KH- dijagram i upisati strukture koje se dobijaju pri različitim brzi-

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

strukture? 22. Zašto se kontinualnim hladjenjem ne može dobiti čisto bejnitna struktura, već

samo mešavina martenzita i bejnita?


154

glava 6.pdf

Documents