Dr. Szabó Péter János szpj@eik.bme.hu

Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat – 2016/17

Acélok nemegyensúlyi átalakulása

2

• az egyensúlyi és a nemegyensúlyi

átalakulások fogalmát;

• a - nemegyensúlyi átalakulások fajtáit

(perlites, bénites, martenzites) és jellemzőit;

• az acélok alapvető hőkezeléseit;

• az acélok mikroszerkezete és mechanikai

tulajdonságai közti kapcsolatot.

Az előadáson megismerjük

3

A vas (acél) allotrop átalakulásai A vas allotróp módosulatai: -Fe, -Fe és δ-Fe.

A vasötvözetek hőkezelésénél alapvető az -> és a ->

átalakulás. Az elsőnél fajtérfogat csökkenés, a másodiknál

növekedés történik.

→ fázisátalakulás: A folyamat három fontos paramétere

a szabadentalpia változás, a szilárd állapotbeli

kristályosodási képesség és a diffúziós tényező.

G

G T1

T2

T2 T1 A1

T

G G2 G1

T

NS N1

N2

v2

v1

v1<v2

túlhűtés

N

NS

4

y

log (t)

Állandó T

0

0.5

1

t0.5

Inkubációs idő Az átalakulás időbeli előrehaladása

RT

QexpAr

sebességeátalakulásazt

r

kty n

5.0

1

exp1

Az Avrami egyenlet a fázisátalakulást írja le:

A fázisátalakulás időbeli lefolyása

5

log t t1 t2 t3

T1

T3

T2

ΔT

A1

C-görbe

diffúzió hatása

túlhűtés hatása

Hőm

érs

ékle

t

A - átalakulás időszükséglete

(C görbe)

A túlhűtés azonos módon befolyásolja a kristályosodási

képességet és a szabadentalpia változását, csökkenti az

átalakulás kezdetének időpontját. A diffúziós tényezőre a

hőmérséklet ellentétes módon hat. Minél kisebb a

hőmérséklet, annál hosszabb az átalakulás ideje.

6

Eutektoidos acél izotermikus átalakulási

diagramja (TTT)

10 103 105 Idő (s) 10-1

400

600

800

T(°C)

Ausztenit (stabil)

200

P

B

A1

100%bénit

100% perlit

A

A

Ms

Perlit mennyisége 1

0 t

Perlit/bénit határ

7

Fe-C ikerdiagram

folyadék

25

1147

1252

atom % C

1538

1394

1493

E

N

0

BHA

I

0,10,16

0,5

P S

O

G

M

769

912

deltaferrit

ausztenit

ferrit

QL

δδ

γγ

D

FC

727

pe

rlit

led

eb

uri

t

tömeg % C0,02

2,10,80

Fe

4,3

Fe3C

tömeg % Fe3C0 100

6,7

K

ce

me

ntit

8

A reakciósebesség

a túlhűtéssel nő (T).

Perlites átalakulás

Perlit

növekedési

irány

Ausztenit ()

szemcse-

határ

Cementit (Fe3C)

Ferrit ()

Szénatomok

diffúziója

675°C T kicsi

1 10 103 104

idő (s)

0

50

100

Pe

rlit

% 0

50

100

600°C

T nagy 650°C

au

szte

nit

% Csíraképződéssel

lejátszódó

diffúziós folyamat.

9

Ttransf közvetlenül az A1

hőmérséklet alatt:

nagyobb T, gyorsabb

diffúzió.

Perlit szerkezete

Kisebb T,

durvább lemezek

Ttransf jóval az A1

hőmérséklet alatt:

kisebb T, lassúbb

diffúzió.

Nagyobb T,

finomabb lemezek

10

m m

10

Bénites átalakulás

10 103 105 Idő (s) 10-1

400

600

800

T(°C)

Ausztenit (stabil)

200

P

B

A

A

Ms

Bénit mennyisége 1

t

Perlit/bénit határ

A1

Felső bénit

Alsó bénit

11

Bénit szerkezete

350-550 ˚C 200-350 ˚C

Cementit

Ferrit

Felső bénit Alsó bénit

Martenzit

Martenzit

Cementit Ferrit

Ferrittűk és hosszú

cementit részecskék elegye

Vékony ferrit lemezek és nyújtott

cementit részecskék elegye

Az átalakulás sebességét alapvetően a diffúzió (kevésbé a

csiraképződés) befolyásolja. A viszonylag kis hőmérséklet

miatt nagyon finom struktúra jön létre.

Fe3C

12

Szferoidit keletkezése

10 103 105 Idő (s) 10-1

400

600

800

T(°C)

Ausztenit (stabil)

200

P

B

A

A

Ms

A1

60 m m

(ferrit)

Fe 3 C

(cementit)

Szferoidit

Hosszú idő alatt a perlit/bénit szerkezete átalakul (diffúzió)

és apró Fe3C gömbök jönnek létre a ferrit mátrixban.

13

Martenzites átalakulás

10 103 105 10-1

400

600

800 T(°C

)

Ausztenit (stabil)

200

P

B

A

A

Ms

A1

0% M

50% M

90% M

Kezdeti homogén fázisból () az átalakulás során homogén

fázis (m) keletkezik, csíraképződés nélkül. Nagy lehűlési

sebesség esetén jön létre. Diffúzió nélküli átalakulás, a

másodperc törtrésze alatt megy végbe.

Martenzit tűk

Ausztenit

60

m m

s

Martenzit

mennyisége

0.5

14

Bain modell

Az ausztenit f.k.k rácsa tartalmazza a martenzit

tetragonális rácsát (kék cella), és meghatározott

kristálytani kapcsolat áll fenn a két rács között.

x

y

ym xm

z zm

100 110 , 010 110 , 001 001m m m

szén %

a

am

cm

rácsparaméter

15

Ms és Mf hőmérséklet széntartalom

függése

Ms

Mf

G

O S P

0.6 1.0 C%

T

Tűs martenzit

Lemezes martenzit

Tűs+lemezes

16

10 103 105

Idő (s)

10-1

400

600

800

T(°C)

200

P

B

A

A

Ms

A1

A3 Ferrit

Ausztenit (stabil)

M

10 103 105

Idő (s)

10-1

400

600

800

T(°C)

200

P

B

A

A

Ms

A1

Cementit

Ausztenit (stabil)

M

Proeutektoidos

ferrit

Proeutektoidos

cementit

Hipo- és hipereutektoidos acél

izotermikus átalakulása

17

Fázisok a metastabil rendszerben

f d +

f + c f + c

+ c

+ c

+

d

f + d

d – delta ferrit

f - folyadék

c - cementit

Fe Fe3C

f + + c

+ c +

18

Eutektoidos acél folyamatos átalakulása

10 103 105 Idő (s) 10-1

400

600

800

T(°C)

Ausztenit (stabil)

200

A

A

Ms

A1

4 3 2 1

1. Edzés (víz): Martenzit 2. Edzés (olaj): Perlit+bénit+martenzit

3. Normalizálás: finom perlit 4. Lágyítás: durva lemezes perlit

Kritikus lehűlés

Perlit folyamatos

átalakulásának

kezdete

vége B

19

Acél alapvető hőkezelési eljárásai

• Edzés

• Megeresztés

• Nemesítés (edzés+ megeresztés)

• Normalizásás

• Lágyítás

20

• Edzés

Ausztenitesítés + hőntartás + gyors hűtés. Martenzites szövetszerkezet előállítása.

• Megeresztés

Martenzites szövetszerkezet hőntartása A1-nél kisebb hőmérsékleten, majd lehűtése. Finom szövetszerkezetű perlit előállítása.

• Lágyítás

Ausztenitesítés + hőntartás + nagyon lassú hűtés (kemencével). Lágy, szívós anyag előállítása.

• Normalizálás

Ausztenitesítés + hőntartás + levegőn való lehűtés.

Finom, egyenletes mikroszerkezet előállítása.

21

Hőkezelések kezdeti hőmérséklete

A1

A3

Edzés,

normalizálás Acm

Lágyítás (edzés)

Szferoidizálás 600

700

800

900

T

˚C

22

Hipoeutektoidos acél folyamatos

átalakulása

1

2

3

C = 0,45 %

1-edzés

2-normalizálás

3-lágyítás

23

Hipereutektoidos acél folyamatos

átalakulása

C = 1 %

1-edzés

2-normalizálás

3-lágyítás

1 2 3

24

Ms és Mf hőmérséklet széntartalom

függése

Ms

Mf

G

O S P

0.6 1.0 C%

T

Tűs martenzit

Lemezes martenzit

Tűs+lemezes

25

Megeresztés

30 40 50 60

200 400 600

T (°C)

A

9 µ

m

.

1800

1400

1000

Rm

Rp0.2 %

MPa

A1

T

t

Tausztenit

Tmegereszt

Martenzit

A martenzit

ridegségének

és a belső

feszültségeknek

a csökkentése.

Nagyon kisméretű Fe3C részecskék

ferrit mátrixba beágyazva.

26

Eutektoidos acél martemperálása

400

600

800

T(°C)

Ausztenit (stabil)

200

P

B

A

A

Ms

A1

Mf log t

Módosított edzési eljárás, amellyel csökkenteni lehet a

hagyományos edzéshez képest a belső feszültségeket

és a repedésveszélyt.

átalakulás

M

Tmeg

27

Eutektoidos acél ausztemperálása

400

600

800

T(°C)

Ausztenit (stabil)

200

P

B

A

A

Ms

A1

Mf log t

Bénit előállítása, amelynek során a szilárdság viszonylag

nagy szívósággal párosul, a repedésveszély csökken.

átalakulás

28

Mechanikai tulajdonságok változása

a széntartalom függvényében

0 0.5 1 0

50

100

A

Imp

ac

t e

ne

rgy

(Iz

od

, ft

-lb

)

0

4 0

8 0

C% 0 0.5 1

keménység

Hipo Hiper Hipo Hiper

Rp0.2

Rm

300

500

700

900

1100

MPa %

C%

Finomlemezes perlit

100

200

300

HB

Ütő

munka, J

50

100

0

29

finom

perlit 80

160

240

320

0 0.5 1

H B

finom

perlit

durva

perlit

szferoidit

0

30

60

90

0 0.5 1

A%

Hipo Hiper Hipo Hiper

0

200

0 0.5 1

400

600

HB

martenzit

finom

perlit

szferoidit

durva

perlit

C%

C%

C%

30

Hőkezelési folyamatok öszegzése

Ausztenit ()

+Fe3C lemezek/tűk Bénit

Perlit

+Fe3C rétegek

Martenzit

(diffúzió nélküli

átalakulás)

Megeresztett

martenzit + nagyon apró

Fe3C részecskék

lassú hűtés gyors hűtés

megeresztés

Szilá

rdság

Sziv

ósság

Általános tendenciák

közepes hűtés

martenzit

bénit

finom perlit

durva perlit

szferoidit

31

Fogalmak

• Egyensúlyi és nemegyensúlyi átalakulás

• A nemegyensúlyi átalakulás befolyásoló tényezői

• A fázisátalakulás Avrami-egyenlete

• Izotermikus átalakulási diagram (TTT)

• Folyamatos átalakulási diagram (CCT)

• Inkubációs idő

• Perlites átalakulás

• Finom- és durvalemezes perlit

• Bénites átalakulás

• Alsó és felső bénit

• Martenzites átalakulás

• Bain modell

• Tűs és lemezes martenzit

• Edzés

• Megeresztés

• Nemesítés

• Lágyítás

• Normalizálás

• Martemperálás

• Ausztemperálás