SVEUILITE U ZAGREBUFAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE ZAVOD ZA MATERIJALE

Vinko Ivui, Mladen Franz

MATERIJALI I 2.dio

Autorizirana predavanja 2005./2006.

NESAVRENOSTI (NEPRAVILNOSTI) KRISTALARealni kristali nikad nisu idealni, uvijek su prisutne nepravilnosti u njihovoj strukturi. Prilikom kristalizacije (skruivanja) svi atomi ne uspiju zauzeti svoje pozicije u prostornoj kristalnoj reetki. Iako je taj broj relativno malen ( 1 od 1000 atoma), nesavrenosti kristala imaju vrlo znaajan utjecaj na svojstva materijala. Nesavrenosti kristala klasificiraju se prema njihovoj geometriji i obliku: Nuldimenzijske (tokaste) Jednodimenzijske (linijske) Dvodimenzijske (plone) Trodimenzijske ( prostorne)

Nuldimenzijske (tokaste) nesavrenosti Kao to samo ime govori ove nepravilnosti zauzimaju samo jedno mjesto u prostornoj reetki. To su: Vakancije (praznine)

2

Supstitucijski ( zamjenbeni ) strani atom

Intersticijski ( ukljuinski ) strani atom

Jednodimenzijske (linijske) nesavrenosti Ova nepravilnost moe biti pravocrtna ( puno vakancija smjeetenih na istom pravcu) ili spiralna poput vijka. Nazivamo ih dislokacijama a mogu biti bridne i vijane.

3

Bridna dislokacija izgleda ovako:

a vijana ovako:

4

Dvodimenzijske (plone) nesavrenosti Dvodimenzijske nepravilnosti jesu plohe i predstavljaju razliite granice od kojih su najvanije granice izmeu kristalnih zrna. Naime metali, koji gotovo svi imaju kristalnu strukturu jesu polikristali, to znai da izmeu mnotva kristalnih zrna postoje granice zrna. One mogu biti ( vidi sliku): Malokutne granice zrna Velikokutne granice zrana

Trodimenzijske ( prostorne ) nesavrenosti To su makro nepravilnosti u kristalnoj strukturi, a posljedica su procesa izrade ili toplinske obrade: Pore Ukljuine 5

DIFUZIJADifuzija jeste pojava premjetanja tvari u plinovitom, tekuem i vrstom stanju. Premjetanje tvari je kretanje ili zamjena mjesta atoma, iona ili molekula u plinovima tekuinama i krutnini. Najzanimljivija je difuzija atoma u vrstom stanju. U krutnini kretanje atoma u kristalima moe biti na: Supstitucijski nain Intersticijski nain

Kod supstitucijskog naina dolazi do izmjene mjesta izmeu atoma i vakancije (praznine). Ukoliko dolazi do izmjene mjesta izmeu vlastitih atoma i vakancija govori se o samodifuziji koja je prisutna kod istih metala. Kod legura mjesta mogu izmjenjivati atomi primjese i vakancija u osnovnom metalu. to su to legure ili slitine? Def. Legura je tvar koju ine dvije ili vie komponenti. Jedna od komponenti je uvijek metal, a druga(e) mogu biti metal ili nemetal. Nazivamo je (ih) primjesa(e) ili legirni dodatak. Nenamjerno dodane primjese nazivamo neistoama. Kretanje atoma kriz kristalnu reetku izmjenom mjesta izmeu vlastitog ili stranog atoma i vakancije (praznine) pokazuje sljedea slika:

6

Intersticijski nain kretanja atoma jeste sljedei :

O emu ovisi intenzitet difuzije? Iskazan je kroz tijek J, koji predstavlja broj atoma ili masu tvari koji prolaze kroz jedininu povrinu u odreenom vremenu. Prema 1. Fickovom zakonu vrijedi: J= -D dc/dx, g/cm2s Gdje je : D difuznost ili difuzijski koeficjent dc/dx gradijent koncentracije D difuznost je definirana sljedeim izrazom: D = Do e Qd/RT, cm2/s Gdje su: Do difuzijska konst. mater. Qd- aktivacijska energ. R- plinska konstanta T-apsolutna temperatura Na osnovi ovih izraza proizlazi da na difuziju utjeu: Temperatura Kristalna struktura Koncentracija tvari koja difundira Nesavrenosti kristala Vrijeme 7

KRISTALI LEGURAU legurama pojavljuju se sljedee vrste kristala: Kristali mjeanci Kristali intermetalnog spoja Kristali kemijskog spoja Mijeani kristali Kristali mjeanci Kristali mjeanci su kristali legura kod kojih atomi primjese legure ( atomi otopljenog elementa) ulaze u kristalnu reetku osnovnog metala legure ( topitelja). To mogu initi na dva naina: supstitucijski (zamjenbeni) intersticijski (ukljuinski)

Tako se kristali mjeanci dijele na supstitucijske i intersticijske kristale mjeance. Sljedea slika pokazuje dvodimenzionalnu sliku supstitucijskog kristala mjeanca Fe i Cr ( oba metala imaju BCC kristalnu reetku), i sline veliine atoma

atomi topitelja (Fe) atomi otopljenog elementa (Cr) 8

Da bi dva metala ( komponente ) legure mogli tvoriti supstitucijske kristale mjeance treba biti zadovoljeno nekoliko uvjeta, od kojih spominjemo dva najvanija: oba metala ( komponente legure) moraju imati istu vrstu kristalne reetke, npr. FCC, BCC, HCP veliina atoma obije komponente ne smije se previe razlikovati

Kod intersticijskih kristala mjeanaca atomi primjese (otopljenog elementa ) ulaze u meuprostore kristalne reetke osnovnog metala legure ( topitelja)

atomi topitelja (Fe) atomi otopljenog elementa (C)Gornji primjer prikazuje dvodimenzionalnu sliku intresticijskog kristala mjeanca Fe i C. Kod intersticiskih kristala mjeanaca atomi primjese moraju biti puno manji da bi se mogli ukljuiti u meuprostore kristalne reetke osnovnog metala. Supstitucijsko i intersticijsko smjetanje atoma primjese u kristalnu reetku topitelja izaziva manju ili veu deformaciju reetke( vidi tokaste nesavrenosti!), te na taj nain poveanje vrstoe (mehanike otpornosti) kristala mjeanca u odnosu na isti metal. 9

Kristali intermetalnog spoja Komponente legure (metali!) tvore kemijski spoj s novom kristalnom reetkom. Veina kristala mjeanaca nema potpunu rastvorljivost atoma primjese u vrstoj otopini osnovnog metala. Tada komponente legure (metali!) tvore kemijski spoj s novom kristalnom reetkom. Takvi kristali nazivaju se kristali intermetalnog spoja. Tako kod mijedi, legure Cu-Zn, do 20% mase Zn bakar i cink tvore supstitucijske kristale mjeance s FCC kristalnom reetkom. Pri veim udjelima Zn nastaju intermetalni spojevi: Kristali kemijskog spoja Kod ovih kristala jedna komponenta je nemetal koja s nekim metalom tvori kristale kemijskog spoja. Primjer: MnS u Fe-C legurama Mijeani kristali Ukoliko komponente legure imaju drugaiju kristalnu strukturu (reetku) ili je prevelika razlika u veliini atoma , te uope ne mogu tvoriti kristale mjeance postoji smjesa dvije ili vie vrsta kristala koju nazivamo mijeani kristali. Primjer: Cu Pb Oba metala imaju FCC reetku, ali je prevelika razlika u veliini atoma da bi tvorili kristale mjeance -(Cu-Zn) -(Cu5-Zn8) -(Cu-Zn3)

10

DIJAGRAMI STANJADijagrami stanja ili fazni dijagrami ili dijagrami slijevanja (engleski phase diagrams, njemaki Zustandsdiagramme) grafiki su prikazi koji pokazuju koje faze i fazni konstituenti su prisutni u materijalnim sustavima na razliitim temperaturama i tlakovima za razliite kemijske sastave. Veina dijagrama stanja konstruirana je za ravnotene uvjete ili, bolje reeno, za nominalno ravnotene uvjete budui da se, u veini sluajeva, ravnotea nikada ne postie potpuno, nego samo priblino. Dijagrami stanja slue inenjerima i znanstvenicima za razumijevanje i predvianje ponaanja materijala u razliitim uvjetima. Iako dijagrami stanja postoje i za iste tvari, u tehnici su oni najpotrebniji za prouavanje legura.

BINARNI DIJAGRAMI STANJAKada se sustav legura sastoji od dvije komponente, njegovo stanje definira binarni dijagram stanja. Dijelovi binarnog dijagrama stanja prikazani su na slici.

Koordinatni sustav dijagrama stanja

11

A i B su komponente sustava legura. Obino su to pojedini kemijski elementi, npr.: Cu i Sn ili Fe i C. Na apscisi dijagrama X je sastav (ili koncentracija). Sastav se najee izraava postotkom mase komponente B (%B) u promatranoj leguri ili nekom njenom sastavnom dijelu. Sastav se rjee izraava kao postotak volumena (%B vol.) ili kao maseni udio komponente B (grama komponente B u 1 gramu legure ili nekog njenog sastavnog dijela). Ukoliko nije drugaije naznaeno, %B znai postotni udio mase komponente B u promatranoj leguri ili fazi. Na ordinati dijagrama je temperatura koja odreuje izoterme. Svaka toka u dijagramu stanja odreena je sastavom i temperaturom. Legure pri grijanju, odnosno hlaenju doivljavaju odreene pretvorbe. Poeci, odnosno zavreci pretvorbe odreeni su granicama pretvorbi. Toke pretvorbi odreuju se na razne naine. Najjednostavniji nain je praenje promjene temperature pri hlaenju odreene koliine rastaljenog materijala uz konstantno, dovoljno sporo, odvoenje topline. Na taj se nain dobiju krivulje hlaenja koje se razlikuju za iste metale i za legure.

a) Krivulje hlaenja za ekstremno sporo hlaenje a) isti metal b) legura

b)

12

L poetak skruivanja S zavretak skruivanja tL vrijeme poetka skruivanja tS vrijeme zavretka skruivanja L temperatura poetka skruivanja S temperatura zavretka skruivanja T taljevina K kruta faza Proces kristalizacije (stvaranje klica kristalizacije, rast kristala, nastajanje granica zrna) oslobaa takozvanu latentnu toplinu koja moe ponititi odvoenje topline za vrijeme hlaenja. Zato kod istih metala temperatura stoji za vrijeme skruivanja (skrutite) sve dok sva taljevina (T) ne prijee u kruto stanje (K), to se vremenski odvija izmeu toaka L i S. Prije poetka skruivanja (kristalizacije) postoji samo jedna faza taljevina (T), za vrijeme trajanja skruivanja (kristalizacije) postoje dvije faze taljevina (T) i kruta faza (K), a nakon zavretka skruivanja (kristalizacije) postoji samo jedna, kruta faza (K). Slino je i kod legura, ali je kod njih latentna toplina osloboena kristalizacijom nedovoljna da nadoknadi odvedenu toplinu, pa nema stojita temperature, nego se pad temperature samo usporava za vrijeme intervala skruivanja od L do S. To je zbog toga jer kod legura postojanje druge komponente ometa proces kristalizacije prve komponente i obrnuto. esto kruta faza kod legura nije jedinstvena, nego se sastoji od dvije ili vie faza. Za snimanje dijagrama stanja treba vei broj krivulja hlaenja za legure promatranog sustava, kako je to ilustrirano slikom.

13

a) b) Konstrukcija dijagrama stanja na temelju krivulja hlaenja a) reprezentativne krivulje hlaenja legura dvokomponentnog sustava A B b) binarni dijagram stanja sustava legura A B Krivulje hlaenja iz a) preslikavaju se u toke granica pretvorbi u b). Tako krivulje hlaenja za iste komponente A i B daju po jednu toku (LA,SA odnosno LB,SB) u dijagramu stanja b), a to su njihova skrutita, odnosno talita. Ostale krivulje hlaenja X1 do X4 daju po dvije toke u dijagramu stanja, tj. temperature poetka skruivanja L1 do L4 i temperature zavretka skruivanja S1 do S4. Granica koja spaja sve poetke skruivanja zove se likvidus, a granica koja spaja sve zavretke skruivanja zove se solidus. Iznad likvidus granice sve legure su u rastaljenom stanju, izmeu likvidusa i solidusa legure se sastoje od taljevine i krute faze, a ispod solidusa sve su legure potpuno skruene. Valja naglasiti da snimanje dijagrama stanja nije tako jednostavno kako izgleda iz ovog prikaza. Za uobiajenu inenjersku praksu puno je vanije koritenje ve snimljenih dijagrama stanja koji se mogu nai u prirunicima, knjigama i atlasima.

14

POLUNO PRAVILOPoluno pravilo omoguuje raunsko odreivanje masenog udjela pojedinih faza ili njihovih konstituenata u bilo kojem dvofaznom podruju binarnih dijagrama stanja. Poluno pravilo moe se objasniti na nekoliko naina. Jedan od njih iznesen za binarni dijagram stanja s potpunom topljivou komponenti u rastaljenom i krutom stanju.

Binarni dijagram stanja meusobno potpuno topivih komponenti A i B Na apscisi nalazi se sastav tj. maseni udio komponente B izraen u postocima od 0 (ista komponenta A) do 100 (ista komponenta B). Promatra se legura iji sastav (maseni udio komponente B) iznosi XL, a nalazi se na temperaturi 1. U toki 1 na temperaturi 1 jedan dio legure (faza T) je rastaljen, a drugi dio (faza K) je skruen. Sastav taljevine iznosi XT, a sastav krute faze XK. Te vrijednosti odreene su presjecitima izoterme 1 s likvidus i solidus granicama. Maseni udjeli faza mogu se odrediti rjeenjem dviju jednadbi s dvije nepoznanice. Prva jednadba proizlazi iz injenice da zbroj postotnih masenih udjela tekue faze (Tm) i krute faze (Km) mora biti jednak 100. Dakle Tm + Km = 100

15

Druga jednadba dobije se primjenom polunog pravila:

Tm

a

b

Km

XT

XL

XK

Oslonac poluge predstavlja prosjean sastav legure (dvofazna smjesa), a na krajevima poluge djeluju kao sile maseni udjeli faza (ili dijelova faza). Krakovi poluge odreeni su sastavima legure i faza. Tada je jednadba ravnotee: Tm a = Km b , b Tm = Km a Uvrteno u prvu jednadbu a = XL - XT b = XK - XT

b Km + Km = 100 a 100 100 a Km = = , b a+b 1+ a b 100 b Tm = Km = a a+b ili Tm = 100 - Km

IZOMORFNI DIJAGRAM STANJADijagram stanja kakav je prikazan na slikama u poglavlju Poluno pravilo, zove seizomorfni, a vrijedi za sustav legura s potpunom topljivou i u rastaljenom i u krutom

stanju, kao to je npr. sustav legura Cu-Ni. Konstrukcija njihovog dijagrama stanja prikazana je slikom.

16

Konstrukcija dijagrama stanja legura Cu Ni a) reprezentativne krivulje hlaenja b) dijagram stanja legura Cu Ni U lijevom dijagramu prikazana je grupa krivulja hlaenja, a desno je dijagram stanja koji se pomou krivulja hlaenja konstruira. Na apscisi dijagrama stanja je sastav tj. postotni udio mase legirnog elementa, u ovom sluaju nikla. Krivulje hlaenja za iste metale (Cu i Ni) daju po jednu toku u dijagramu stanja (A i B) koje su ustvari njihova skrutita. Krivulje hlaenja za legure razliitog sastava X (20% Ni, 50% Ni i 80% Ni) daju po dvije toke, tj. temperature poetka skruivanja (L1, L2, L3) i temperature zavretka skruivanja (S1, S2, S3). U ovom sustavu postoji samo jedna kruta faza oznaena s , a ine je supstitucijski kristali mjeanci s reetkom bakra, odnosno nikla. Budui da i bakar i nikal imaju FCC reetku, a radiusi atoma im se vrlo malo razlikuju (RCu= 128 pm, RNi = 125 pm), oni bez problema zamjenjuju mjesta bez obzira na sastav.

17

Jednom snimljen, dijagram stanja moe posluiti za dobivanje korisnih informacija o bilo kojoj leguri toga sustava. Te informacije su sljedee: a) b) c) d) e) Faze prisutne kod legura razliitog sastava na razliitim temperaturama Meusobna topljivost komponenta Temperature na kojima legure poinju i zavravaju skruivanje Sastav faza za razliite legure i temperature Mogunost raunskog odreivanja masenog udjela faza ili konstituenata

Sve navedeno vrijedi za sporo hlaenje, odnosno grijanje tj. za ravnotene uvjete. Ovo je ilustrirano analizom skruivanja legure s 25% nikla.

Analiza legure bakra s 25% nikla i shematski prikaz strukturnih stanja Na temperaturi 1300 oC legura je u rastaljenom stanju (100% T) i 75% njene mase ine atomi bakra, a 25% mase atomi nikla. Na temperaturi 1230 oC stvaraju se prve klice kristalizacije koje se sastoje od nekoliko jedininih FCC elija bakra u kojima 38% ine atomi nikla (ovaj podatak odreen je presjecitem izoterme 1230 oC sa solidus crtom). Struktura se u tom trenutku sastoji od taljevine sastava 25% Ni, koje ima gotovo 100%, i nemjerljivo male mase -kristala mjeanaca (Cu, Ni) sastava 38% Ni. Na temperaturi 1200 oC struktura se sastoji od taljevine u kojoj je sastav Ni pao na 20% (presjecite izoterme 1200 oC s likvidus crtom) i -kristala mjeanaca (Cu, Ni) kojima je 18

sastav pao na 30% (presjecite izoterme 1200 oC sa solidus crtom). Maseni udjeli ovih faza mogu se raunski odrediti primjenom polunog pravila (primjer).

Primjer

= 1200 oC XL = 25 % NiTm m

XT = 20% Ni

XL = 25% Ni

X = 30% Ni

Tm (XL - XT) = m (X - XL) Tm (25 - 20) = m (30 - 25) Tm + m = 100 (% mase) Tm = m (30-25)/(25-20) = m 5/5 = m m + m = 100 2 m = 100 m = 50 % mase Tm = 100 - m = 100 - 50 Tm = 50 % mase U primjeru za temperaturu 1200 oC odstupanja sastava taljevine i -kristala mjeanaca od sastava legure su jednaka (krakovi isti) pa je zato i njihov maseni udio jednak. Na temperaturi od 1180 oC legura je upravo pred zavretkom skruivanja. Sastoji se od

19

nemjerljivo male mase taljevine sastava 16% Ni (presjecite 1180 oC - likvidus) i gotovo 100% -kristala mjeanaca bakra i nikla sastava 25% Ni. Na temperaturi 1100 oC (kao i na svim temperaturama niim od 1180 oC) legura je potpuno skruena i 100% njene mase ine -kristali mjeanci u kojima 25% mase ine atomi nikla, a 75% mase ine atomi bakra.

EUTEKTIKI DIJAGRAM STANJAEutektiki dijagram stanja definira stanja sustava legura kojega ine elementi (komponente A i B) s potpunom topljivou u rastaljenom stanju, a djelominom topljivou u krutom stanju., Co

A

A-BL1 S1 L2 L4 S4 B

, Co

X1 X2L1 S1 L2

XE X3

X4L4 S4 L3

E

'+T 'C S2

TE

T+'S3

L3

D

S2' E' S2 E

S3' S3

'

'+EF E'

'+EG

X1

X2

XE

X3 X4 X, %B

t, s

a) Opi oblik eutektikog dijagrama stanja b) Karakteristine krivulje hlaenja Likvidus granica je A E B, a solidus granica je A C E D B. Iznad likvidus crte sve je rastaljeno, jedina faza je taljevina, T. to e se dogoditi kada temperatura dostigne likvidus, ovisit e o sastavu promatrane legure. Naime, u jednom dijelu eutektikog dijagrama prevladava utjecaj komponente A pa se tu stvaraju preteno kristali mjeanci s reetkom komponente A (-kristali mjeanci), a u

20

drugom dijelu prevladava utjecaj komponente B pa se tu preteno stvaraju kristali mjeanci s reetkom komponente B (-kristali mjeanci). Granica izmeu ta dva podruja je legura eutektikog sastava, XE. XE :legura eutektikog sastava

XXE : legure nadeutektikog sastava Na slici je oznaeno pet legura: X1, X2, XE, X3 i X4. Te legure kristaliziraju na sljedei nain:Legura X1

Legura X1 poinje skruivanje u toki L1 koja na krivulji hlaenja oznauje poetak smanjenja brzine hlaenja, a zavrava u toki S1 kada je legura potpuno skruena. Kristali koji nastaju izmeu toaka L1 i S1 imaju reetku komponente A koja u sebi sadri i atome komponente B i oznaeni su s . Sastav tih kristala mjeanaca moe se za pojedinu temperaturu oitati na presjecitu izoterme s dijelom solidus crte A - C. Ovi kristali mjeanci zovu se alfa-primarni i oznauju s '. Za vrijeme hlaenja od toke L1 do S1 stvara se sve vie kristala ' sa sve veim sadrajem atoma komponente B. Istodobno se mijenja i sastav preostale taljevine (po crti A - E), ali joj se smanjuje maseni udio. U svakom trenutku maseni udjeli taljevine i krute faze ' mogu se izraunati primjenom polunog pravila. Dok traje ovaj proces, krivulja hlaenja ima usporenje (od toke L1 do S1). Nakon zavretka skruivanja u toki S1 legura X1 se sastoji samo od kristala mjeanaca ' i daljnjim hlaenjem joj se struktura ne mijenja.Legura X2

Legura X2 je podeutektikog sastava. Njeno skruivanje poinje u toki L2 izluivanjem iz taljevine -kristala mjeanca.

21

Daljnjim hlaenjem stvara se sve vie -kristala mjeanaca u kojima raste sadraj atoma komponente B. Maseni udio taljevine u sustavu se smanjuje, a sastav mijenja (bogatija na B). Kada temperatura padne na E (eutektika temperatura), ' dostie granini sastav (toka C). U -kristale mjeance ne moe se ugraditi vie komponente B. Istodobno, preostala taljevina poprima sastav XE i ulazi u eutektiku pretvorbu:T e + e

e + e = E U eutektikoj pretvorbi istodobno se stvaraju kristali mjeanci s reetkom komponente A (alfa-eutektiki, e) i kristali mjeanci s reetkom komponente B (beta-eutektiki, e). Zajedniki e i e ine pseudofazu koja se naziva eutektikum i oznauje s E. Termin pseudofaza upotrijebljen je zato jer nije homogena tvorevina (ima kristale razliitih reetaka), a ipak ima neka obiljeja faze, npr. granice, prosjenu tvrdou, prosjeni sastav, oblik zrna i slino. Sastavni dijelovi faza i pseudofaza uobiajeno se nazivaju konstituenti. Pritom su vezani oni konstituenti koji su ukljueni u pseudofaze, dok su ostali slobodni konstituenti. U nekim sustavima legura pojedini konstituenti, faze i pseudofaze dobivaju posebna imena. Kristalizacija eutektikuma ima obiljeje kristalizacije istog metala (temperatura stoji) jer je, zbog istodobnog stvaranja i -kristala, oslobaena koliina latentne topline dovoljna za nadoknaenje odvedene topline. Nakon zavretka eutektike pretvorbe legura X2 je potpuno skruena i ima strukturu '+E koju zadrava i na niim temperaturama. Ova tvrdnja nije sasvim tona jer su time zanemarene promjene strukture koje nastaju uslijed promjena sastava -kristala mjeanaca (crta C - F) i -kristala mjeanaca (crta D - G). Ipak, te promjene su toliko male da ih je opravdano zanemariti. Slina analiza vrijedi za sve podeutektike legure, tj. u polju A -C - E njihova se struktura sastoji od taljevine i ', a u polju C - E - E' - F od ' i eutektikuma.Legura XE

Legura eutektikog sastava istie se time to ima najnie skrutite (i talite) od svih legura toga sustava to je vano iz tehnolokih razloga. Naime, za taljenje eutektike legure potrebno je najmanje energije. Zato lemovi uglavnom imaju eutektiki sastav, kao i sivi

22

lijev, jedan od najzastupljenijih ljevakih materijala. Kod ove legure ne pojavljuju se primarni kristali mjeanci, nego se skruivanje sastoji samo od eutektike kristalizacije na eutektikoj temperaturi, slino kao kod istih metala, to je ilustrirano krivuljom hlaenja. Nakon skruivanja ova legura sastoji se samo od eutektikuma: E = e + e.Legura X3

Legura X3 zapoinje skruivanje u toki L3 izluivanjem kristala mjeanaca s reetkom komponente B koji se zovu beta-primarni i oznauju s . Za nadeutektike legure vrijedi slina analiza kao za podeutektike, ali umjesto ' sada se pojavljuje '-kristal mjeanac. Dakle, u polju E - D - B bit e prisutni taljevina i ', a u polju E - D - G - E' bit e prisutni ' i eutektikum.Legura X4

Legura X4 zapoinje skruivanje u toki L4 a zavrava skruivanje kao monofazna (') i dalje joj se struktura ne mijenja. Shematski prikaz strukturnih stanja u eutektikom dijagramu stanja prikazan je na slici.

Shematski prikaz strukturnih stanja u eutektikom dijagramu

23

Kristalna zrna vezanih konstituenata u eutektikumu uvijek su manja od odgovarajuih primarnih zrna jer se, zbog istodobne kristalizacije e i e stvara vie klica kristalizacije, nego kod kristalizacije primarnih zrna. Budui da sitnozrnate strukture u pravilu imaju dobra svojstva, odatle i dolazi naziv eutektikum (grki: u = dobar, tehnein = graditi). U eutektikom dijagramu konstituenti krutih faza i faze koje oni tvore su sljedei:

Konstituenti: ' e

Faze: faza E (pseudofaza) faza

e '

EUTEKTOIDNI DIJAGRAM STANJAEutektoidni dijagram stanja slian je eutektikom uz bitnu razliku to se kod njega radi o pretvorbi u krutom stanju, tj. prekristalizaciji. Jedan od moguih opih oblika eutektoidnog dijagrama stanja prikazan je na slici.

24

, oC

T T+A C

likvidus B solidus

D

+'

id

E

id

+'G

'

F

'

'+( + )id id

'+( + )id id

XF

Xi d

XG X, %B

Opi oblik eutektoidnog dijagrama stanja Sve legure iz ovog sustava nakon primarne kristalizacije imaju monofaznu strukturu koja se sastoji od kristala mjeanaca s kristalnom reetkom komponente A, oznaenih s koji su stabilni samo na viim temperaturama.. Primarna kristalizacija je skruivanje, tj. prijelaz iz tekueg u kruto stanje. U trenutku kad vie nema taljevine, primarna kristalizacija je zavrena. Sve daljnje pretvorbe u krutom stanju spadaju u sekundarnu kristalizaciju. Ako je s Xid oznaen eutektoidni sastav legure, onda su: XXid : nadeutektoidne legure Kod svih podeutektoidnih legura na temperaturnoj granici C - Eid poinje izluivanje kristala mjeanaca s kristalnom reetkom komponente A stabilnih na niim temperaturama. Ti kristali oznaeni su s '. Podeutektoidne legure iji sastav lei lijevo od XF zavravaju sekundarnu kristalizaciju kao monofazne legure koje se sastoje od kristala '.

25

Kod podeutektoidnih legura iji sastav lei desno od XF pri temperaturi id nastupa eutektoidna pretvorba kod koje preostali -kristali prelaze u smjesu kristala s kristalnom reetkom komponente A (id) i s kristalnom reetkom komponente B (id). Ta smjesa kristala naziva se eutektoid. na id : id + id = Eutektoid Eutektoid je pseudofaza jer ima neka obiljeja prave faze (npr. prosjeni sastav, tvrdou, oblik zrna), ali nije prava faza jer se sastoji od raznovrsnih konstituenata (id, id). Eutektoidna legura (x=xid) prekristalizira na id direktno u isti eutektoid : id + id Kod svih nadeutektoidnih legura na temperaturnoj granici E - D poinje izluivanje kristala mjeanaca s kristalnom reetkom komponente B, oznaenih s '. Kod nadeutektoidnih legura koje imaju sastav izmeu Xid i XG pri temperaturi id nastupa eutektoidna pretvorba kod koje preostali -kristali prelaze u smjesu kristala s kristalnom reetkom komponente A (id) i s kristalnom reetkom komponente B (id). To je eutektoid (id + id) koji je sam po sebi jednak za sve podeutektoidne, eutektoidnu i sve nadeutektoidne legure kod kojih je prisutan. Njegova obiljeja su da se sastoji od id i id i da ima fiksni prosjeni sastav Xid. Nadeutektoidne legure koje imaju sastav vei od XG zavravaju sekundarnu kristalizaciju kao monofazne legure koje se sastoje od '-kristala.

LEGURE ELJEZO - UGLJIKKod realnih materijala pojavljuju se i sloeniji dijagrami stanja. Tako legure eljezo-ugljik kristaliziraju prema dijagramu stanja koji ima peritektiki, eutektiki i eutektoidni dio. To je binarni sustav (iako realne legure tog sustava nikada nisu isto binarne), a dvije komponente koje ga ine su eljezo i ugljik.

26

eljezo, Fe

eljezo je metal koji ima najiru primjenu. isto eljezo je magnetino, sivo-bijele boje, duktilno i mekano, srednje vrstoe. eljezo ima 26 elektrona (2 vanjska u etvrtoj ljusci).

Shematski prikaz atoma eljeza

Model atoma eljeza

27

Radius atoma: RFe= 124 pm eljezo iskazuje polimorfiju, tj. pojavljuje se u vie kristalnih reetki (alotropskih modifikacija) ovisno o temperaturi.

Alotropske modifikacije eljeza pri hlaenju i grijanju Pri hlaenju iz rastaljenog stanja eljezo na 1536oC kristalizira u Fe s BCC reetkom koja je stabilna do 1392oC kada preklistalizira u Fe s FCC reetkom. Na 898oC Fe preklistalizira u Fe koje ima BCC reetku kao i Fe. Ispod 770oC (Currie-temperatura) Fe postaje magnetino, odnosno kod zagrijavanja prestaje biti magnetino. Kod zagrijavanja je tijek promjena obrnut, a do prekristalizacije iz Fe u Fe dolazi sa zakanjenjem (histerezom) od 13oC. Posljedica prekristalizacije eljeza su i skokovite dimenzionalne promjene uslijed razlike u gustoi slaganja atoma u BCC i FCC reetki.

28

Ugljik, C

Ugljik je najvaniji legirni element za materijale na bazi eljeza. Pojavljuje se u etiri alotropske modifikacije: amorfna (koks) i tri kristalne, grafit, dijamant i fulereni. Ugljik ima 6 elektrona (4 vanjska u drugoj ljusci).

Shematski prikaz atoma ugljika Radius atoma: RC= 77 pm Ugljik se u Fe-C legure ukljuuje na tri naina, to ovisi o nainu kristalizacije. Dva su tipa ravnotene kristalizacije kod Fe-C legura: stabilna i metastabilna kristalizacija. Stabilna kristalizacija istih Fe-C legura moe nastupiti samo kod ekstremno sporog hlaenja. Ovisno o temperaturi i sastavu, atomi ugljika u tom sluaju ulaze u reetku eljeza tvorei tako intersticijske kristale mjeance (, , ) ili tvore kristale grafita (Cg).

29

Kristalna struktura grafita Metastabilna kristalizacija Fe-C legura nastupa pri realno sporom hlaenju. Ugljik i kod ovakve kristalizacije tvori intersticijske kristale mjeance (, , ), a umjesto grafita pojavljuje se cementit (Fe3C). Cementit je intermetalni spoj nepromjenjivog sastava od 6,67% C. Ima kompliciranu ortorombsku reetku. Ta reetka nema kliznih ravnina pa je zato cementit tvrd i krhak. Strogo gledajui, metastabilna kristalizacija nije ravnotena jer cementit nije potpuno stabilan (moe se razgraditi u -kristale mjeance i grafit). Ipak, u veini praktikih uvjeta cementit je jako stabilan pa se zato moe smatrati ravnotenom fazom. Dakle, ugljik se u ravnoteno skruenim Fe-C legurama pojavljuje u kristalima mjeancima (, , ) i kao grafit (Cg) kod stabilne kristalizacije ili u cementitu (Fe3C) kod metastabilne kristalizacije. Amorfna i dijamantna modifikacija ugljika ne pojavljuju se u Fe-C legurama, osim u obliku vrlo tankih povrinskih prevlaka (DLC = Diamond like carbon) kod kojih je struktura preteno dijamantna, a djelomino amorfna.

30

Fe - C DIJAGRAM STANJA ZA METASTABILNU KRISTALIZACIJUU sluaju realno sporog hlaenja, tj. metastabilne kristalizacije Fe - C legura ostatak ugljika koji nije u kristalima mjeancima (, , ) kristalizirat e u obliku intermetalnog spoja Fe3C, cementita.

Dijagram stanja Fe-C za metastabilnu kristalizaciju Likvidus krivulja je A - D - E B, a solidus krivulja je A - C - F - H - E - J. Eutektiki sastav je 4,3 %C, a eutektika temperatura je 1147 oC. Legure koje sadre vie od 4,3 %C su nadeutektike legure. Legure koje sadre manje od 4,3 %C, a vie od 2,03 %C su podeutektike legure. Eutektoidni sastav je 0,8 %C, a eutektoidna temperatura je 723 oC.

31

Legure koje sadre manje od 2,03 %C, a vie od 0,8 %C su nadeutektoidne legure. Legure koje sadre manje od 0,8 %C su podeutektoidne legure. Uobiajena je takoer podjela na elike (legure s manje od 2,03 %C) i bijele lijevove (legure s vie od 2,03 %C). U kolegiju Materijali I izostavlja se analiza peritektike kristalizacije izmeu toaka A - G F - D - A. U legurama koje pri hlaenju dolaze na granicu D - E poinju se iz taljevine izluivati kristali primarnog austenita, , intersticijskog kristala mjeanca Fe i ugljika. Kod metastabilne kristalizacije maksimalna topljivost ugljika u austenitu iznosi 2,03 %C na 1147o

C, a na 723 oC topljivost pada na 0,8 %C.

Austenit nije idealni kristal pa se ne moe definirati njegova jedinina elija, nego samo kristalno zrno austenita koje nastaje tako to u neke oktaedarske praznine FCC reetke -eljeza ulazi atom ugljika. Budui da je atom ugljika vei od raspoloive praznine, izazvana deformacija reetke onemoguuje ulazak ugljikovih atoma u svaku jedininu eliju -eljeza. Kod maksimalne koncentracije od 2,03 %C priblino je svaka trea jedinina elija zauzeta atomom ugljika.FCC (100) idealna reetka deformirana reetka

RC = 77 pm RFe = 124 pm rFe = 0,41 RFe = 51 pm RC > rFe

Shematski prikaz "zauzetosti" kristalnog zrna austenita atomima ugljika u oktaedarskim prazninama jedininih elija -eljeza

32

Sekundarna kristalizacija podeutektoidnih Fe-C legura poinje na granici K - M izluivanjem kristala mjeanaca primarnog ferita, ', intersticijskog kristala mjeanca Fe i ugljika. Maksimalna topljivost ugljika u feritu 0,025 %C na 723 oC, a na 20 oC pada na 210-7 %C to je praktiki jednako nuli. Niti ferit nije idealni kristal pa se kod njega, slino kao kod austenita, moe definirati kristalno zrno, a ne jedinina elija. Kristalno zrno ferita nastaje tako to u neke, vrlo rijetke tetraedarske praznine BCC reetke -eljeza ulazi atom ugljika. Budui da je atom ugljika puno vei od raspoloive praznine, izazvana deformacija puno je vea nego kod austenita. Kod maksimalne koncentracije od 0,025 %C tek na priblino svakih petsto jedininih BCC elija dolazi jedan atom ugljika.BCC (100) idealna reetka deformirana reetka

RC = 77 pm RFe = 124 pm rFe = 0,29 RFe = 35 pm RC >> rFe

Shematski prikaz "zauzetosti" zrna ferita atomima ugljika u tetraedarskim prazninama jedininih elija -eljeza. Sastav '-kristala mjeanaca mijenja se s padom temperature po granici K L, a sastav '-kristala mjeanaca po granici K - M, uz istodobno poveanje masenog udjela '-kristala mjeanaca na raun '-kristala mjeanaca. Sve podeutektoidne legure, osim onih s manje od 0,025 %C, na temperaturi od 723 oC doivljavaju eutektoidnu pretvorbu u kojoj se preostali '-kristali mjeanci, koji su upravo poprimili sastav od 0,8 %C, pretvaraju u eutektoid koji se sastoji od eutektoidnog ferita (id) i eutektoidnog cementita (Fe3Cid): 33

723 oC: Eutektoidna pretvorba ' id + Fe3Cid = P Ovaj eutektoid naziva se perlit (P). Struktura podeutektoidnih legura nakon zavretka eutektoidne pretvorbe sastoji se dakle od ', id i Fe3Cid i ostaje takva do sobne temperature, jer su daljnje promjene izazvane smanjenjem topljivosti ferita tako malene da se mogu zanemariti. Sekundarna kristalizacija nadeutektoidnih legura poinje na granici H - M, kada se zbog smanjenja topljivosti ugljika u austenitu poinje na granicama zrna izluivati sekundarnicementit (Fe3C''). Njegov se koliinski udio poveava sve do 723 oC kada preostali austenit

poprima sastav od 0,8 %C i doivljava eutektoidnu pretvorbu identinu kao i kod podeutektoidnih legura. Struktura nadeutektoidnih legura nakon zavretka eutektoidne pretvorbe sastoji se od Fe3C'', id i Fe3Cid i ostaje takva i nakon zavretka hlaenja. Primarna kristalizacija podeutektikih legura poinje na granici D - E izluivanjem '-kristala mjeanaca. Udio ugraenog ugljika u njima raste s padom temperature, a raste i njihov maseni udio na raun taljevine kojoj koncentracija ugljika takoer raste, ali se smanjuje njena koliina. Na temperaturi od 1147 oC sastav ' iznosi graninih 2,03 %C, a preostale taljevine 4,3 %C i u tom trenutku poinje eutektika pretvorba preostale taljevine u eutektikum koji se sastoji od eutektikog austenita (e) i eutektikog cementita (Fe3Ce) : 1147 oC: Eutektika pretvorba T e + Fe3Ce = L Ovaj eutektikum naziva se ledeburit (L). Neposredno nakon zavretka eutektike pretvorbe struktura podeutektikih legura sastoji se od ', e i Fe3Ce. Hlaenje ispod 1147 oC izaziva zbog smanjenja topljivosti ugljika u austenitu (granica H - M) izlazak dijela atoma ugljika iz ' i e i formiranje sekundarnog cementita Fe3C''. To traje do 723 oC kada se u eutektoidnoj pretvorbi preostali ' i e kristali mjeanci, kojima se koncentracija ugljika upravo smanjila na 0,8 %C, transformiraju u

34

perlit. Nakon zavretka eutektoidne pretvorbe i dalje struktura podeutektikih legura sastoji se od Fe3Ce, Fe3C'', id i Fe3Cid. Kod nadeutektikih legura na likvidus granici (B - E) poinje izluivanje kristalaprimarnog cementita (Fe3C'). Hlaenjem raste udio Fe3C', a pada udio taljevine u kojoj se

koncentracija ugljika smanjuje sve do 4,3 %C na 1147 oC kada se eutektikom pretvorbom transformira u ledeburit (e i Fe3Ce). Pri daljnjem hlaenju eutektiki austenit otputa ugljikove atome koji tvore Fe3C'', a na 723 oC preostali e kristali mjeanci transformiraju se u perlit (id + Fe3Cid) i od tada dalje zadrava se struktura Fe3C' + Fe3Ce + Fe3C'' + id + Fe3Cid. Sve metastabilno kristalizirane Fe-C legure na sobnoj temperaturi sastoje se od raznih konstituenata feritne i karbidne (cementitne) faze. Konstituenti i faze koji nastaju metastabilnom kristalizacijom Fe-C legura su:

Konstituenti

Faze

' e Cge Cg'

A (austenit) E (eutektikum) - pseudofaza G (grafit) Eid (eutektoid) - pseudofaza F (ferit)

Cg'' Cgid id '

Konstituenti koji su u sastavu pseudofaza, tj. e i Fe3Ce te id i Fe3Cid su vezani konstituenti, dok su svi ostali slobodni konstituenti. Radi boljeg uoavanja slijeda pretvorbi u Fe-C dijagramu, shematski je prikazana mikrostruktura u pojedinim poljima dijagrama.

35

, C T ' ' ' ' Fe3C'' e Fe3C ' ' ' Fe3C'' e

o

Fe3C' T Fe3C'' ' Fe3C' T e

Fe3C

e

Fe3C'' Fe3C' P

Fe3C''e

Fe3C Fe3C''

e

Fe C 3

id

id

P 0 0,8 elici

P 2,03

P

Fe3C

4,3 bijeli lijevovi

x, %C

6,67

Shematski prikaz mikrostruktura u Fe-C dijagramu stanja za metastabilnu kristalizaciju Najvanije su mikrostrukture podeutektodnih, eutektoidnog i nadeutektoidnih elika, prikazane na sljedeim slikama.

Shematski prikaz mikrostrukture podeutektoidnih metastabilno skruenih Fe-C legura na 20C

36

Shematski prikaz mikrostrukture eutektoidne metastabilno skruene Fe-C legure na 20C

Shematski prikaz mikrostrukture nadeutektoidnih metastabilno skruenih Fe-C legura na 20C Treba napomenuti da je shematsko prikazivanje mikrostrukture pojednostavljeno i da se dosta razlikuje od stvarnog izgleda mikrostruktura, (usporedi sa sljedeim slikama).

37

Mikrostruktura nelegiranog elika s 0,2 %C. Nagrizeno nitalom (smjesa duine kiseline i alkohola). Poveanje 200:1.

Isto kao prethodna slika. Poveanje 1000:1.

38

Mikrostruktura nelegiranog elika s 0,8 %C. Nagrizeno nitalom. Poveanje 200:1.

Isto kao prethodna slika. Poveanje 1000:1.

39

Mikrostruktura nelegiranog elika s 1,8 %C. Nagrizeno nitalom. Poveanje 200:1.

Isto kao prethodna slika. Poveanje 1000:1.

U kolegiju Materijali I izostavlja se detaljna analiza stabilne kristalizacije Fe-C legura, pri kojoj, uz ekstremno sporo hlaenje, ugljik formira stabilne konstituente grafita Cg, Cg i Cgid umjesto metastabilnih konstituenata cementita Fe3C, Fe3Ce, Fe3C i Fe3Cid.

40

NERAVNOTENE PRETVORBE Fe-C LEGURAPretvorbe strukture Fe-C legura pri hlaenju ovise o brzini hlaenja. S porastom brzine hlaenja smanjuje se mogunost difuzije i udaljava se od ravnotenog stanja. Za hlaenje iz austenitnog podruja orijentaciono vrijedi :

hlaenje u pei na zraku u ulju u vodi Stabilne metastabilne

pretvorbe ravnotene

neravnotene

PROMJENA OBLIKA Fe C DIJAGRAMA POVEANJEM BRZINE OHLAIVANJAPri toplinskoj analizi istog eljeza gdje je brzina ohlaivanja bila priblino jednaka 0 zabiljeena je toplinska histereza pri pretvorbi eljezo od 13C ( 911 898C) . Poveanjem brzine ohlaivanja ta histereza postaje sve vea ( vidi sliku!)

41

Pri brzini ohlaivanja . vohl vkrit, dostie se i donja granina temperatura prekristalizacije od 500C, odnosno maksimalni iznos temperaturne histereze od 410C. Poveane brzine ohlaivanja snizuju i granice pretvorbi u Fe C dijagramu A1, A3 i Acm (vidi sliku)

42

Pri vrlo brzom hlaenju (gaenju) metastabilno kristaliziranih Fe-C legura ( elika) granice pretvorbe A1, A3 i Acm prelaze u jedinstvenu krivulju Ms koja oznaava poetak stvaranja nove faze martenzita koji oznaavamo simbolom M. Ms linija spaja toke poetka fazne pretvorbe AM (martensite start). S poveanjem sadraja ugljika u elicima temperatura Ms se smanjuje. Na isti nain smanjuju se i temperature zavretka pretvorbe AM, Mf (martensite finish).Za elik s oko 0,6 %C Mf temperatura iznosi 20 0C odnosno Mf linija sjee os apscisu. Ovaj dijagram nazivamo Uptonovim dijagramom koji za vrlo brzo ohlaivanje pokazuje strukturne faze prisutne u elicima na razliitim temperaturama u ovisnosti o sadraju ugljika! Za podeutektoidne elike u temperaturnom podruju od A3 do Ms prisutan je Ap- pothlaeni austenit, izmeu Ms i Mf linije Ap i M, a ispod Mf linije samo M. Podeutektoidni elici s vie od 0,6 % C sadre dakle nakon vrlo brzog ohlaivanja na sobnoj temperaturi osim martenazita i pothlaeniaustenit koji se tu naziva zaostali austenit Az. Nadeutektoidni elici osim ove dvije faze

sadre i karbidnu fazu K ( Fe3C-cementit): nakon vrlo brzog ohlaivanja kod nadeutektoidnih elika na sobnoj temperaturi prisutni su dakle Az + M +K. Za eliminaciju Az (elici s vie od 0,6 %C) elik treba ohladiti na temperaturu niu od Mf odnosno provesti postupak dubokog hlaenja.MARTENZIT

Martenzit je nisko temperaturna faza nastala pretvorbom iz visokotemperaturne faze austenita iskljuivo, nakon vrlo brzog hlaenja (gaenja) elika.. Postupak toplinske obrade elika koji se sastoji od ugrijavanja elika u temperaturno podruje gdje je prisutna austenitna faza s naknadnim vrlo brzim ohlaivanjem (gaenjem) naziva se kaljenje elika! U kristalima mjeancima austenita ugljikovi atomi intersticijski su otopljeni u FCC reetki -eljeza. Nauili smo da je mogue rastvoriti (otopiti) da max 2,03 %C u austenitu. Vrlo brzim gaenjem elika iz austenitnog podruja, pri kojem hlaenju je difuzija atoma gotovo potpuno onemoguena ugljikovi atomi ostaju prisilno otpoljeni (zarobljen) u martenzitnoj reetki. Kod vrlo sporog hlaenja i omoguene difuzije atoma

43

ugljika oni izlaze iz austenita te se sadraj C postepeno smanjuje do 0,025 % C kada na 723 C dolazi do fazne pretvorbe . Gaenje (vrlo brzo ohlaivanje) elika ima za posljedicu martenzitna kristalna reetka nije kubina, odnosno BCC kao to je to kod ferita nego BCT ( body centered tetragonal) (vidi sliku):

Fe CaA

Fe

C

c

aA aA am

am

A FCC + C

M- BCT +C

Martenzitna kristalna reetka (BCT) nastala je preklapanjem austenitne reetke (FCC) bez difuzije odnosno bez seljenja atoma! Martenzitna reetka je zbog prisustva prisilno otopljenih ugljikovih atoma distordirana u jednom smjeru, odnosno c>aM . Odnos te dvije stranice jedinine elije martenzitne reetke :

c/aM ,naziva se stupanj tetragonalnosti. za koji vrijedi da je

c/aM>1.44

to je stupanj tetragonalnosti vei to je martenzitna kristalna reetka vie distordirana. Posljedica toga je iznimno velika tvrdoa ( i vrstoa) elika u tom stanju te ujedno njegova velika krhkost! Druga posljedica martenzitne pretvorbe jest poveanje volumena elika u martenzitnom stanju u odnosu na perlitno-feritno stanje jer je volumen tetragona vei od volumena kocke za istu bazu ( pretpostavka aM aF). Distordiranost martenzitne reetke, iskazana kroz stupanj tetragonalnosti, je to vea to elik sadri vie ugljika.TTT dijagrami (Time-Temperature- Transformation)

TTT dijagrami premouju zbivanja pri ohlaivanju od realno sporog ohlaivanja (Fe-C dijagram) do vrlo brzog ohlaivanja (Uptonov dijagram). TTT dijagram za podeutektoidni elik konstruiran pomou Fe-C i Uptpnovog dijagrama pokazuje sljedea slika:

Faze prisutne u TTT dijagramu jesu: F ferit, P perlit (pseudo faza), Ap pothlaeni austenit, B bainit ( tzv. meu struktura koja se sastoji od ferita i cementita. Tvra od perlita ali meka od martenzita), M martenzit. 45

Kontinuirani TTT dijagrami

Svi TTT dijagrami imaju na osi apscisa vrijeme t u logaritamskom mjerilu Kontinuirani TTT dijagrami imaju ucrtane krivulje hlaenja na kraju kojih stoji iznos tvrdoe postignut takvim hlaenjem s temperature austenitizacije. Obino nije ucrtana Mf linija

Slijedi TTT dijagram za podeutektoidni elik

Krivulje hlaenja: 1 nadkritino gaenje; Postie se 100 % M ; Postie se maksimalna tvrdoa za taj eilk 2- gornja kritina krivulja gaenja. Postie se takoer 100 %M i maks. tvrdoa Najmanja brzina gaenja s kojom se jo postie 100 % M. Priblino se izraunava prema izrazu:vkg = A - i / t i min , C / s

46

t i min je minimalno vrijeme inkubacije

3 postie se mikrostruktura: M + B, nia tvrdoa u odnosu na 1 i 2. 4 - postie se mikrostruktura: M + B + P , nia tvrdoa u odnosu na 3. 5- donja kritina krivulja hlaenja; postie se mikrostruktura F + P, nia tvrdoa u odnosu na 4. Donja kritina brzina gaenje je najvea brzina kojom se ne postie martenzit u mikrostrukturi. Priblino se izraunava prema izrazu:vkd = A - d / t in , C / s

6- podkritina krivulja hlaenja. Postie se F+P , nia tvrdoa u donosu na 5

TTT dijagram za eutektoidni elik

Kod eutektoidnog elika (0,8%C) kod vrlo sporog ohlaivanja ne dolazi do stvaranja feritne faze ve austenit A na temperaturi A1 prelazi u perlit P eutektoidnom reakcijom. Kod nadkritinog hlaenja osim martenzita M na sobnoj temperaturi prisutan je i zaostali austenit Az.( Ap na slici!)

47

TTT dijagram za nadeutektoidni elik

Vrlo sporim ohlaivanjem kod nadeutektoidnih elika dobiva se mikrostruktura koja se sastoji od perlita i karbida P+K. Nadkritinim gaenjem na sobnoj temperaturi pored martenzita prisutan je i cementit i zaostali austenit M+K+AzOptimalna temperatura austenitizacije

Da bi se neki elik zakalio, odnosno postigla martenzitna mikrostruktura, a s time i visoka tvrdoa, elik treba zagrijati na temperaturu austenitizacije te nakon toga dovoljno brzo ohladiti (gasiti), brzinom veom ili jednakom Vkg. Pitanje je koja je to temperatura austenitizacije koja daje najviu tvrdou? Da bismo je definirali nacrtat emo elini dio Fe C dijagrama :C 70C 30C A cm

Temperatura

A3 723 A1

50C

70C

20

0,8

2,03 % Udio ug ljika

48

A1 , A3 i Acm jesu granice pretvorbi poetka i zavretka sekundarne kristalizacije elika za uvjete metastabilne kristalizacije odnosno realno sporog hlaenja. Ovaj e nam dijagram posluiti da utvrdimo na koju temperaturu valja zagrijati elik prije hlaenja. Budui da martenzit moe nastati iskljuivo iz austenita logino je da elik treba zagrijati u podruje monofaznog austenita. Za podeutektoidne elike je stvarno tako, rafirano podruje jeste podruje optimalne temperature austenitizacije. A = A3 + ( 30 70) C Nadkritinim hlaenjem s te temperature dobiva se 100 % M u eliku. Istina samo za podeutektoidne elike s manje od 0,6 % C. Za one s vie od 0,6 %C potrebno je gaenje na temperaturu niu od sobne ( Upton!). Gaenje s temperature izmeu A3 i A1 ne daje 100 % M, odnosno niu tvrdou. Naime mekani ferit ostaje uz martenzit u kaljenom eliku i snizuje mu tvrdou. Nadeutektoidni elici se pri austenitizaciji ne griju iznad Acm u monofazno austenitno podruje ve iznad A1 A = A1 + ( 50 70) C Zato? Prvo zbog toga to gaenjem iz podruja A + K dobivamo na sobnoj temperaturi M + K + (Az) K jeste eljezni karbid cementit visoke tvrdoe ( 1000 HV) pa na taj nain doprinosi visokoj tvrdoi. Zaostali austenit je neizbjean kod nadeutektoidnih elika ukoliko ih hladimo do sobne temperature (Upton). Ukoliko bismo elik ugrijavali iznad Acm dobili bi nakon gaenja grubozrnati martenzit i jo vii udjel zaostalog austenita ,pa prema tome i niu tvrdou.

49