Materijali II

Osnove toplinske obrade

Prof. dr. sc. Božidar Matijević

bozidar.matijevic@fsb.hr

Katedra za toplinsku obradu i inženjerstvo površina

Zavod za materijale

220oC < p < 400oC

400 oC < p < A1

1 POPUŠTANJE ČELIKA

- postupak ugrijavanja kaljenog čelika na neku temperaturu ispod A1 u svrhu:

povišenja žilavosti martenzita postignutog kaljenjem

sniženja (redukcije) zaostalih naprezanja martenzita

postizanje dimenzijske postojanosti

A1

A3

Te

mp

era

tura

, oC

Vrijeme, h

a, ta

KALJENJE POPUŠTANJE

nisko(temperaturno) popuštanje

srednje(temperaturno) popuštanje

visoko(temperaturno) popuštanje

F + P M Mp+Kp

20°C < p < 220oC

gašenje

tvrdoća?

2 POPUŠTANJE ČELIKA

BOJE ŽARENJA-POPUŠTANJA ČELIKA

3 POPUŠTANJE ČELIKA

400 oC < p < A1

A1

A3

Te

mp

era

tura

, oC

Vrijeme, h

a, ta

KALJENJE POPUŠTANJE

nisko(temperaturno) popuštanje

srednje(temperaturno) popuštanje

visoko(temperaturno) popuštanje

F + P M Mp + Kp

220oC< p < 400oC

20°C < p < 220oC

Mikrostrukturne promjene:

↓ zaostala naprezanja

↓ tvrdoća

c a

> 1 – stupanj tetragonalnosti

podeutektoidni (< 0,6 %C): M → Mp + Kp

(0,6 - 0,8) %C: M + Az → Mp + Kp + (Az)

nadeutektoidni (>0,8%C): M + Az + K” → Mp + Kp + K” (Az)

a

c

a

c a ↓

↑ žilavost

rezultat popuštanja: ↓ %C u M ≤ 0,25

stvaranje Kp

Az → M” (B)

4 POPUŠTANJE ČELIKA

HRC

Tvrd

oća

legirani čelik

nelegirani ugljični čelik

visokolegirani

(čelici za topli rad, brzorezni č.)

Dijagram popuštanja:

550

otpornost

popuštanju

Sekundarno otvrdnuće Az → M” + Kp

p, °C

HRC2

HRC1

HRC3

p

5 POBOLJŠAVANJE ČELIKA

- postupak koji se sastoji od:

kaljenja

visoko(temperaturnog) popuštanja (400 oC < p < A1)

u cilju postizanja: visoke granice tečenja i visoke žilavosti.

- čelici s 0,3 – 0,6 %C, niskolegirani čelici, nelegirani čelici

- prokaljenje!!!

A1

A3

Vrijeme, h

a, ta

400 oC < p < A1

KALJENJE VISOKO

(TEMPERATURNO)

POPUŠTANJE

F + P M Mp + Kp

Te

mp

era

tura

, oC

gašenje

površina jezgra

POBOLJŠAVANJE ČELIKA

6 POBOLJŠAVANJE ČELIKA

ε, %

σ, N/mm2

Istezanje

Nap

reza

nje

poboljšano stanje

polazno stanje

kaljeno stanje

F

F

7 POBOLJŠAVANJE ČELIKA

400 A1 p,°C

vlačna čvrstoća (Rm)

granica razvlačenja (Rp0,2)

tvrdoća HV ↓

istezljivost (A)

udarni rad loma (K)

kontrakcija (Z)

↑

Dijagram popuštanja (poboljšavanja) Dijagram promjene svojstava ovisno o temperaturi popuštanja (poboljšavanja)

Vlačna čvrstoća (Rm), N/mm2

Granica razvlačenja (Rp0,2), N/mm2

Tvrdoća, HV

Istezljivost (A), %

Udarni rad loma (K), J

Kontrakcija (Z), %

Rm

Rp0,2

HV

A

K

Z

↑ temperature popuštanja

(poboljšavanja) p

HV= Rm 3

10

8 POSTUPCI ŽARENJA

t, h

,°C

sporo

ž , tž

površina jezgra

Dijagram postupka žarenja

Postupci žarenja primjenjuju se ako postupci korekcije nekih

pogrešaka u preradi raznih metala i njihovih legura!!!

9 POSTUPCI ŽARENJA

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

Žarenja II. vrste

Žarenja I. vrste

650

400

A1

Nema prekristalizacije mikrostrukture

Prekristalizacija mikrostrukture

10 POSTUPCI ŽARENJA

Žarenje za redukciju zaostalih naprezanja

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

650

400

postupak koji se sastoji od:

ugrijavanja na temperaturu u rasponu od 400 do 600 °C

držanja na žrzn u trajanju od najčešće 2 sata (može i duže)

vrlo sporog ohlađivanja

cilj je smanjenje zaostalih naprezanja nastalih pri:

• deformiranju

• obradi odvajanjem čestica

•brzom ohlađivanju nakon žarenja

•zavarivanja

R. Ž.

(, t) = f (materijala, φ)

11 POSTUPCI ŽARENJA

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

Rekristalizacijsko žarenje

650

400

500

nakon hladnog oblikovanja (valjanja,...)

tijekom kojeg se promijenila tekstura

materijala i nastupilo očvršćenje

poligonalna

kristalna zrna

hladnom deformacijom

očvrsnuto

čelik (500 – 650 °C)

Cu i Cu-legure

Al i Al-legure

Ti i Ti-legure

vraća duktilnost, deformabilnost

hladno oblikovanje

Sferoidizacijsko (meko) žarenje

12 POSTUPCI ŽARENJA

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

650

400

500

postupak koji se sastoji od:

ugrijavanja oko A1

duljeg držanja na sž

vrlo sporog ohlađivanja (u peći)

svrha:

prevođenje lamelarnih (eutektoidnih) i mrežastih

(sekundarnih) karbida u kuglasti oblik

t, h

,°C

vrlo sporo hlađenje

sž površina

jezgra

↓ tvrdoća

↑ obradljivost

(ooč,

deformabilnost, ...)

K

F

K

F

A1

13 POSTUPCI ŽARENJA

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

Normalizacijsko žarenje

650

400

500

postupak ugrijavanja:

podeutektoidnih čelika n = A3 + (30....70) °C

nadeutektoidnih čelika n = A1 + (50....70) °C

ili za otapanje karbidne mreže n = Acm + (10....20) °C

te potkritičnog ohlađivanja (vhl < vkd - na zraku) u svrhu postignuća

sitnozrnate i jednolične mikrostrukture

A3

Ms

Mf

A1

n

F

P

B

M

A

, oC

t, s, lg

F

P

sitnozrnata

jednolična

mikrostruktura

(↑ žilavost)

lijevanje

valjanje

zavarivanje

kovanje

toplinska

obrada

podkritično

ohlađivanje

vhl < vkd

F

P

grubo kristalno zrno

(↓ žilavost)

F + P F + P

14

A3

Acm

A1

Homogenizacijsko žarenje

Žarenje na grubo zrno

Žarenje na grubo zrno

postupak koji se sastoji od:

ugrijavanja znatno iznad A3

držanja na gzž

vrlo sporog ohlađivanja

svrha:

postizanja grubozrnate strukture niskougljičnih čelika

radi lakše obrade rezanjem (OOČ)

postupak koji se sastoji od:

ugrijavanja malo ispod solidus temperature

držanja na hž jako dugo (nekoliko dana)

vrlo sporog ohlađivanja

svrha:

postizanje izjednačenja svojstava (eliminacija kristalnih segregacija)

Nakon homogenizacijskog žarenja potrebno je zbog pogrubljenja zrna

provesti npr. normalizacijsko žarenje!!!

Nakon homogenizacijskog žarenja potrebno je zbog pogrubljenja zrna

provesti npr. normalizacijsko žarenje!!!

POSTUPCI ŽARENJA

Sferodizacijsko žarenje

15 POSTUPCI ŽARENJA

Tem

pera

tura

, oC

Udio ugljika, % C

A3

Acm

A1

Žarenje za redukciju zaostalih naprezanja

Rekristalizacijsko žarenje

Normalizacijsko žarenje

Homogenizacijsko žarenje

Žarenje na grubo zrno

650

400

500

16 PRECIPITACIJSKO OČVRŠĆAVANJE

, oC

20 oC

α + T

T

α + β

α

A AxBy z% B rmax %B

, oC

homogenizacija

dozrijevanje

α (rs %B)

β (AxBy)

α (Z% B)

α (z% B)

prezasićen s B

α β (AxBy) sitni

preci. β faze

uvjeti precipitacijskog očvršćavanja:

otopivost (rastvorljivost) legirajućeg elementa B u čvrstoj otopini osnovnog kristala mješanaca ↑

Me tvori intermetalni spoj AxBy

heterogena legura na sobnoj temperaturi

0 oC

Vrijeme, h rs

gašenje-

zadržavanje stanja s temperature

homogenizacije a ne stukturna

promjena kao kod kaljenja čelika

prirodno

umjetno

(očvršćavanje izlučivanjem)

17 PRECIPITACIJSKO OČVRŠĆAVANJE

Al legure: AlCu, AlSiMg

Cu legure: CuBe,

Ni, Co, legure za povišene temperature

Visokolegirani visokočvrsti čelici

18

POVRŠINSKO KALJENJE - PLAMENO

- INDUKCIJSKO

- LASEROM

- SNOPOM ELKEKTRONA

TOPLINSKA

MODIFICIRANJA d

TOPLINSKO KEMIJSKA

DIFUZIJA NEMETALNIH

ELEMENATA - POUGLJIČAVANJE

- NITRIRANJE

- BORIRANJE

- LEGIRANJE LASEROM

MEHANIČKA

SAČMARENJE

ANODNA OKSIDACIJA

-METALNIM I NEMETALNIM ELEMENTIMA

d Al2Fe

Al

Me

MeXC d

d

PREVLAČENJA d

TOPLINSKA

MEHANIČKA

TOPLINSKO

MEHANIČKA

KEMIJSKA

ELEKTRO

KEMIJSKASKA

- NAVARIVANJE

- URANJANJE U RASTALJENI METAL

IMPLANTACIJA IONA

DEFORMACIJSKO SPAJANJE - VALJANJEM

- EKSPLOZIJOM NAŠTRCAVANJE - PLAMENOM

- ELEKTROLUČNO

- PLAZMOM

- DETONACIJSKO

- KROMIRANJE

- NIKLANJE

- GALVANIZIRANJE

- FOSFATIRANJE

- BEZSTRUJNO NIKLANJE

- KROMATIRANJE

- SOL GEL POSTUPCI

U PARNOJ FAZI

- CVD - PVD - PA CVD

[C]

Fe

O2

d

DIFUZIJSKA PREVLAČENJA -METALNIM ELEMENTIMA

Al

Al2O3

POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJA