Materijali_2_2_130_2008

2. TEMELJNE POSTAVKE TOPLINSKE OBRADE

I. Duplani: MATERIJALI 2 3

2. TEMELJNE POSTAVKE TOPLINSKE OBRADE METALA

Toplinskom obradom smatra se tehnoloki postupak kojim se obradak od odabranog materijala svijesno podvrgava promjenama temperature u odreenim vremenskim ciklusima. Temeljem postavljene definicije lako se zakljuuje da su temeljni parametri postupaka toplinske obrade:

temperatura (oC) , T (K) i trajanje (vrijeme), t (s, min, h).

Iz kolegija Materijali 1

jasna je uloga temperature, jer se ovisno o njenom izboru mijenjaju faze u promatranom metalu. Trajanje procesa toplinske obrade valja promatrati kroz nekoliko podruja. Za najvei broj postupaka toplinske obrade to su: kontrolirano zagrijavanje, zadravanje na postignutoj temperaturi i kontrolirano hlaenje, slika 2.1.

Tijekom takvog procesa toplinske obrade mogua je pojava razliitih vrijednosti

navedenih parametara na povrini (puna linija) i u sreditu obratka (crtkana linija). Razlike u poloajima ovih linija posljedica su toplinske vodljivosti materijala i one su tim vee to su dimenzije obratka vee.

Navedeni prikaz ukazuje da trajanje toplinske obrade nije beskonano (t ). To je donekle drugaije u odnosu na pretpostavke koje su vrijedile kod definiranja metastabilnog dijagrama slijevanja eljeza i ugljika poznatog kao Fe - Fe3C dijagram. Naime, pri njegovom dobivanju polo se od pretpostavke da je brzina hlaenja mala, a trajanje hlaenja ekstremno dugako (vhl 0; thl ).

Ove razlike temeljnih parametara toplinske obrade u odnosu na metastabilni

dijagram slijevanja uzrokuju da se toplinskom obradom mogu postii drugaija svojstva od onih koja su uobiajena za elike. Pri tome je znaajna svrha promjena koje se ele postii. Efekti tih promjena, pored temperature i trajanja procesa, ovise o vrsti materijala, njegovom kemijskom sastavu i izvornoj mikrostrukturi, te stupnju prethodne hladne deformacije. Ovisno o svrsi, toplinskom obradom mogu se, prema slici 2.2, postii promjene:

faza ili fiziko kemijske promjene strukture mehanikog stanja

Slika 2.1 Openiti prikaz toplinske obrade



Slika 2.2 Shematski prikaz promjena pri toplinskoj obradi |1|

a - promjene faza; b - promjene strukture; c - promjene mehanikog stanja

Promjena faza tijekom toplinske obrade pokazana je na primjeru perlita P, koji predstavlja smjesu lamela ferita i cementita Fe3C, slika 2.2.a. Njegovim zagrijavanjem na temperaturu oko 760 oC dobije se austenitna faza . Naglim hlaenjem tako nastalog austenita nastaje nova feritna faza sa ukljuenim ugljikom u sebi poznata kao Martenzit M. Pri tome, mogue je da na sobnoj temperaturi, kod odreenih uvjeta, zaostane i neto austenita Ao.

Promjena strukture tijekom toplinske obrade pokazana je na primjeru pretvaranja ploastog ferita u perlitu u zrnati ferit, slika 2.2.b. To se postie njegovim zagrijavanjem na oko 850 oC i naknadnim sporim hlaenjem.

Promjena mehanikog stanja kao posljedica toplinske obrade pokazana je na uzorku sastavljenom od tri meusobno povezana tapa nejednakih poprenih presjeka, slika 2.2.c. Budui da su vanjski tapovi manjeg presjeka hlade se sa 850oC veom brzinom od sredinjeg. Zbog toga u sredinjem tapu nastaju zaostala vlana naprezanja jer su prethodno ohlaeni vanjski tapovi zauzeli svoju duinu i ne doputaju srednjem tapu slobodno skraivanje. Upravo stoga njegova zaostala vlana naprezanja uzrokuju da se u bonim tapovima pojave zaostala tlana naprezanja. Ova zaostala vlana i tlana naprezanja mogue je ukloniti sporim zagrijavanjem obratka na temperaturu oko 850 oC, a potom sporo ohladiti na sobnu temperaturu.

Iz pokazanih primjera zakljuuje se da je cilj toplinske obrade promjenom toplinskog stanja postii promjenu faza i strukture. Kod velikog broja postupaka toplinske obrade kemijski sastav elika se ne mijenja. Naravno, mogue je da pri visokim temperaturama nastanu neke spontane kemijske reakcije na povrini obratka, koje su obino nekontrolirane i nepoeljne. Izuzetak ini skupina postupaka kod koje se samo povrini obratka mijenja kemijski sastav u cilju postizanja odgovarajuih povrinskih efekata. Ovi postupci spadaju u skupinu kemijske toplinske obrade.



2.1 VRSTE TOPLINSKE OBRADE U strojarskoj praksi primjenjuje se veliki broj postupaka toplinske obrade koji se

mogu dijeliti prema razliitim kriterijima. Temeljem toga, u nastavku e se objasniti osnovne znaajke pojedinih skupina sa svim bitnim tumaenjima zbivanja i tehnologijom izvoenja, te e se ukazati na slinosti sa ostalim postupcima iz pojedinih skupina.

Jedan od najeih kriterija za podjelu postupaka toplinske obrade je dubina do

koje seu posljedice toplinske obrade. Postoji veliki broj postupaka kojima se toplinskom obradom mijenjaju svojstva obratka kroz itavi presjek ili samo njegov dio. Pored ovih, brojni su postupci toplinske obrade kojima se obratku mijenjaju samo kvaliteta i svojstva povrine. Dubine promjene svojstava su reda veliine do nekoliko milimetara, a esto i znatno manje. Unutar svake od ovih skupina mogue je provesti i daljnju podjelu u jo dvije podskupine:

Postupci obrade itavog presjeka Udaljavanje od ravnotenog stanja Vraanje u ravnoteno stanje

Postupci obrade povrine Kaljenje povrine Kemijsko difuzijska toplinska obrada

U nastavku, dat e se tumaenje pojedinih postupaka iz pojedinih podskupina.

Radi lakeg praenja i razumijevanja zbivanja, najprije e se dati tumaenje opih temeljnih pojava koje se dogaaju tijekom pojedinih postupaka toplinske obrade.

2.2 PRETVORBE AUSTENITA PRI UBRZANOM HLAENJU Iz predavanja kolegija Materijali 1 studenti su se upoznali sa pojavama i

promjenama koje nastaju kod vrlo sporog hlaenja austenita. Te promjene mogle su se pratiti na Fe-Fe3C dijagramu. Stoga, osnovu za sve znaajno u postupcima toplinske obrade ini dobro poznavanje i razumijevanje Fe-Fe3C dijagrama. To je zapravo idealni dijagram slijevanja dobijen teorijskom brzinom hlaenja vhl 0 (thl), te je, jo jednom, vano istaknuti samo njegove najvanije specifinosti. Karakteristina temperatura u Fe-Fe3C dijagramu je ona na 723 oC, tj. A1 linija na kojoj pri hlaenju elika nastaje raspad austenita s koncentracijom 0,8 %C u eutektoid poznat pod nazivom perlit, slika 2.3.

Nastali perlit ima lamele ferita i cementita veliine oko 80 m. Naravno, pri grijanju obratka iznad temperature A1 nastaje obrnuta pretvorba, tj. eutektiod - perlit se pretvara u austenit. Oba ova pretvorbena procesa koja nastaju pri hlaenju ili grijanju su difuzijski procesi, jer je za njihovo ostvarivanje na raspolaganju dosta vremena.



Slika 2.3 Fe-Fe3C dijagram za podruje elika Osim temperature A1, za razumijevanje utjecaja brzine hlaenja na svojstva

obratka znaajna je i granica A3. Du ove granice, ovisno o sadraju ugljika u eliku, pri hlaenju se iz austenita izluuje ugljik koji sa atomima eljeza stvara novu fazu zvanu ferit. Obino se za pojavu koja nastaje na toj liniji pri hlaenju kae da zapoinje pretvorba austenita u ferit . Naravno, pri grijanju nastaje obrnuti proces tj. ferit se pretvara u austenit .

Pored navedenih A1 i A3 linija, znaajna je i linija Acm. Ona predstavlja granicu na kojoj se pri hlaenju iz austenita izluuje ugljik i poima stvarati sekundarni cementit Fe3C. Pri grijanju nastaje obrnuti proces, tj. Fe3C se prestaje otapati u austenitu.

Hlaenje austenita mogue je naelno provesti na dva naina: kontinuirano u jednom ili vie rashladnih medija do sobne temperature. To je

anizotermiko hlaenje. u jednom mediju konstantne temperature dok se ne zavri pretvorba austenita,

nakon ega slijedi hlaenje do sobne temperature. To je diskontinuirano ili izotermiko hlaenje.

Promjene nastale hlaenjem elika sa temperature austenitizacije

najjednostavnije je pratiti na eutektoidnom eliku. Kod tog elika (0,8 %C) te



promjene zapoinju i zavravaju na 723 oC, tj. na A1 temperaturi. Pri vrlo sporom hlaenju nastaju promjene koje su ve objanjene na Fe-Fe3C dijagramu. Nastala promjena kad se iz jednog zrna austenita stvori vie zrna perlita na slici 2.4 prikazana je krivuljom hlaenja a.

Pri sporom hlaenju (u zatvorenoj pei 100 oC/h) temperatura modifikacije se

neto sputa, krivulja hlaenja b, slika 2.4. Lamele perlita postaju tanje zbog ega nastaje manji porast tvrdoe.

Pri neto brem hlaenju na mirujuem zraku (npr. 100 oC/min) iz austenita stvara se faza slina perlitu sa jo tanjim lamelama cementita (oko 40 m) i vie tvrdoe, a naziva se Sorbit. Zbog ovog ubrzanog hlaenja dolazi do sputanja linije A1 (oko 650 oC, krivulja c, slika 2.4). Promjene poloaja A1 temperature, odnosno stojita na krivuljama hlaenja u slici 2.4, rezultiraju promjenama i u Fe-Fe3C dijagramu. Uz promjene temperatura nastaju i promjene koncentracija. Tako pri nastajanju sorbita, eutektoidna koncentracija nije vie 0,8 %C ve se pretvara u podruje koncentracija, (slika 2.5 toka - crta linija).

Slika 2.4 Krivulje hlaenja i nastale faze za razliite brzine hlaenja |1| A - Austenit; B - Bainit; M - Martenzit; P - Perlit; S - Sorbit; T - Trustit

Pri jo brem hlaenju (struja zraka npr. 250 oC/s, krivulja d, slika 2.4), iz

austenita se dobija Trustit1. Ta je faza slina prethodnoj samo su joj lamele cementita Fe3Cid jo tanje (oko 20 m par lamela) a tvrdoa je neto via. Ovdje je temperatura A1 jo nia (550 oC), a podruje raspada u isti trustit jo ire, (slika 2.5, crtkana linija).

1 Prema istraivau Troostu



Slika 2.5 Prijelaz eutektoidne koncentracije u podruje eutektoidnih koncentracija Iz navedenog zakljuuje se da brzina hlaenja utjee na izgled dijagrama

slijevanja. Naime, ovisno o brzini hlaenja, a zbog toplinske histereze, poloaji linija A1, A3 i Acm se mijenjaju. Da bi se razluilo radi li se o procesu hlaenja ili grijanja elika u oznake temperatura uvode se dodatne oznake. Tako se temperature promjena kod hlaenja oznaavaju indeksom r tj. Ar1, Ar3 i Arcm. Slino vrijedi i za proces grijanja, gdje se koristi simbol c, tj. Ac1, Ac3 i Accm. Pri vrlo polaganom hlaenju vhl 0 (thl ) smatra se da se linije Ar1 i Ac1 preklapaju i postaju A1.

Pri jo brem hlaenju nego to je u sluaju nastajanja trustita (npr. 500 oC/s),

difuzija gotovo u potpunosti izostaje. Na krivulji hlaenja e, slika 2.4, opaaju se dvije promjene. Prva je na oko 600 oC, a druga na oko 250 oC. Promjena na 600 oC povezana je sa nastankom nove faze i izraena je stojitem. Mehanizam te promjene je slijedei: Dio ugljika, i to vrlo mali, uspije se izluiti iz mjeanca u Fe3C. Preostali dio , iz kojeg se nije uspio izvui ugljik, pretvara se u ferit . To je prostorno centrirana kubna reetka u kojoj nema mjesta za C, te dolazi do njenog izvitoperenja. Ta se struktura naziva igliasti trustit ili Bainit2. Druga promjena smjera krivulje hlaenja vezana je za nastajanje jo jedne nove faze koja se zove Martenzit3.

Najmanja brzina hlaenja kod koje se direktno iz austenita dobija martenzit zove se kritina brzina hlaenja vkr (za isto eljezo to je vhl 600 oC/s). Ako se 2 Po istraivau Bainu 3 Po istraivau Martensu



hlaenje austenita provodi brzinom manjom od kritine dobije se neka od naprijed spomenutih faza. Meutim, ako se hlaenje austenita provede kritinom brzinom vkr ili veom od nje, nema dovoljno vremena za difuziju, a ipak nastane pretvorba ' u '. Tako nastala ' reetka sadri u sebi cijelu koliinu ugljika koju je u sebi imao ' i naziva se Martenzit. Novonastala ' reetka, koja bi inae pri toj temperaturi trebala biti prostorno centrirani kub, zbog velike koliine ugljika se pretvara u prostorno centrirani tetragon. To je feromagnetina (zbog reetke) igliasta struktura vrlo velike tvrdoe. Krivulje hlaenja pri kojima je to nastalo u slici 2.4 oznaene su sa f i g. Ako se pak omogui naknadna izvjesna difuzija, doi e do pomicanja atoma ugljika u stranu i od tetragona nastaje prostorno centrirani kub. Ta kubna reetka imat e parametre reetke i naziva se kubni martenzit. Ove e pretvorbe biti detaljnije objanjene kasnije.

Prema tome, dovoljno povienje brzine hlaenja austenita vkr potiskuje krivulje A1, A3 i Acm metastabilnog Fe-Fe3C dijagrama u jedinstvenu krivulju Ms (Martensite start). To znai da e kod dovoljno brzog hlaenja elika austenitne strukture austenit ostati postojan izmeu A3 i Ms, odnosno Acm i Ms temperature. On u sebi sadri sav ugljik koji je imao na poetku hlaenja i naziva se pothlaeni austenit Ap. Na poloaj Ms i Mf linija, pored brzine hlaenja utjee i sadraj ugljika u eliku. Ta je ovisnost prikazana Uptonovim dijagramom, slika 2.6. On daje potrebne podatke o poetku i kraju pretvorbe austenita u martenzit, a vrijedi samo za brzo hlaenje.

Pretvorba pothlaenog austenita u martenzit takoer traje u odreenom temperaturnom intervalu i zavrava pri temperaturi Mf (Martensite finish). Ukoliko se pretvorba austenita u martenzit ne zavri do sobne temperature (Mf se nalazi ispod sobne temperature), u strukturi, pored pothlaenog austenita, postoji i ostatni austenit Ao.

Literatura |1| R. Deeli: Metali 2, Sveuilite u Splitu, FESB, Split,1987. |2| M. Stupniek, F. Cajner: Osnove toplinske obradbe materijala, Sveuilite u Zagrebu,

Zagreb,1996. PITANJA 1. Koji su temeljni parametri postupka toplinske obrade? 2. Shematski prikaite temeljne parametre postupaka toplinske obrade! 3. Koja je svrha toplinske obrade? 4. Koje se promjene mogu postii u materijalu tijekom toplinske obrade? 5. Navedite osnovne vrste toplinske obrade!

Slika 2.6 Ovisnost poetka i zavretka pretvorbe austenita u martenzit o

sadraju ugljika Uptonov dijagram |2| A - Austenit; M - Martenzit



6. Skicirajte Fe-Fe3C dijagram i navedite faze u pojedinim podrujima! 7. Koje pojave nastaju pri brem hlaenju austenita? 8. Kakvi mogu biti naini hlaenja obratka u postupku toplinske obrade? 9. to predstavljaju oznake Ar1, Ar3 i Arcm? 10. to predstavljaju oznake Ac1, Ac3, Accm? 11. Objasnite nastajanje pojedinih faza pri razliitim brzinama hlaenja austenita! 12. to je to kritina brzina hlaenja? 13. Nacrtajte dijagram ovisnosti poetka i zavretka pretvorbe austenita u martenzit o sadraju

ugljika! 14. Kako se na dijagramu temperatura - vrijeme prikazuje promjena brzine hlaenja? 15. to je Sorbit, Trustit, Bainit i Martenzit i iz ega nastaju? 16. Kakva je struktura martenzita?

Documents

Materijali_2_2_130_2008