Tratamente Termice
Curs 1
1. Obiectul şi importanța Tratamentelor Termice
2. Sistemul Fe-C (proprietățile constituenților structurali rezultați în urma tratamentelor termice)
Obiectul și importanța Tratamentelor Termice
• succesiune de operaţii • încălziri, mențineri și răciri efectuate în
anumite medii,
• cu respectarea unor condiții de: • temperatură, durată, viteză de încălzire și
răcire,
• aplicate produselor (semifabricate, piese și scule)
pentru a produce modificări în structura materialului acestora
Tratamentul Termic
• la schimbarea proprietăților tehnologice, fizico-chimice și mecanice ale produselor.
• ! scopul tratamentelor termice este • obținerea unor anumite structuri, care
să dea produsului proprietățile dorite, fără a schimba • forma piesei • starea de agregare a materialului.
T. T.
Tratamentele termice, procese
tehnologice în urma cărora produsele
obțin proprietăți noi
Schema generală a ciclului tehnologic de fabricare a pieselor din oţel.
• TT incorecte ⇒ rebutarea produselor
• € ($) >>T.T.
Cunoașterea și executarea corectă a
Tratamentelor Termice
Sistemul Fe-C
• Fe ⇒ trei forme polimorfe:
• Fe α, Fe γ şi Fe δ.
Cubic cu Volum Centrat Cubic cu Fețe Centrate
Fierul α: rețea CVC, parametrul rețelei: ✦2,86 Å la 20°C ✦2,895 Å la 800°C.
Fierul γ rețea CFC, parametrul rețelei: ✦3,638 Å la 912°C ✦3,645 Å la 1000°C.
<
• Fierul δ aceeași rețea cristalină ca Fe α, • distanţa reticulară mărită. • fierul δ este un fier α stabil la temperaturi
înalte
• fierul are numai două forme polimorfe (α şi γ).
• Sistemul Fe-C ⇒2 forme:
• sistemul fier-grafit (sistemul stabil) • sistemul fier-cementită (sistemul metastabil)
Punctul critic Semnificaţia
A0 Punctul Curie al cementitei, 210-215°C
A1 Temperatura transformării eutectoidei corespunzătoare izotermei PSK, 727°C
A2 Puntul Curie al feritei, 770°C (linia MO)
A3 Temperaturile corespunzătoate liniei GOS
A4 Temperatura corespunzătoare transformării δ → γ
Acem Temperatura corespunzătoare liniei SE
Ac1Temperatura la care începe transformarea perlitei în austenită, la încălzire; la oţelurile hipoeutectoide începe şi transformarea (dizolvarea) feritei în austenită, iar în oţelurile hipereutectoide a cementitei secundare în austenită.
Ar1Temperatura de transformare a austenitei în perlită, la răcire; în oţelurile hipoeutectoide se termină separarea feritei, iar la cele hipereutectoide a cementitei secundare din austenită
Ac2 Temperatura transformării magnetice a feritei la încălzire
Ar2 Temperatura transformării magnetice a feritei la răcire
Ac3 Temperaturile la care se termină transformarea (dizolvarea) feritei în austenită la încălzirea oţelurilor hipoeutectoide
Ar3 Temperaturile la care începe separarea feritei din austenită, la răcirea oţelurilor hipoeutectoide
Accem Temperaturile la care se termină dizolvarea cementitei în austenită, la încălzirea oţelurilor hipoeutectoide
Arcem Temperaturile la care începe separarea cementitei secundare din austenită, la răcirea oţelurilor hipereutectoide
• diagrama Fe-Fe3C este caracterizată prin două tipuri de transformări: a) transformarea eutectică:
✦ lichid(4,3%C) ↔ Fe3C + γ(2,11%C)
b) transformarea eutectoidă: ✦ γ(0,77%C) ↔ Fe3C + α(0,02%C)
c) transformarea peritectică: ✦ lichid(0,51%C) + δ(0,1%C) ↔ γ(0,16%C)
727°C
1148°C
perlită
ledeburită
1487°C
• Constituent structural
• un element component al structurii, format din una sau mai multe faze.
• faza este o parte omogenă dintr-un sistem (aliaj) care are aceeași compoziție chimică, un tip de rețea cristalină, proprietăți determinate și care este delimitată de alte părți din sistem printr-o suprafață de separație bine conturată.
Constituenții structurali rezultați în urma TT
• Constituenții alcătuiesc arhitectura internă a materialelor metalice:
• metalul pur,
• soluția solidă,
• compusul chimic,
• amestecul mecanic.
cristale perfect omogene, cu aceeași compoziție chimică
constituent eterogen format din cel puțin două faze, care pot fi oricare din fazele precedente
Diagrama Fe-Fe3C ❖ faze sau constituenți omogeni:
❖ austenita, ferita, cementita și grafitul,
❖ constituenți eterogeni: ❖ perlita (lamelară sau globulară) și
ledeburita.
În diagramele TTT ❖ constituenți și faze diferite de
echilibru: ❖ martensita de călire,
❖ martensita de revenire,
❖ bainita superioară și inferioară,
❖ troostita
❖ sorbita.
Ferita
Soluție solidă de carbon în fierul α, cu o rețea CVC. Rețeaua CVC are locuri interstițiale octaedrice și tetraedrice.
!
solubilitatea maximă este de 0,0218%C la 727º C
Austenita
Soluție solidă de carbon în Fe γ, rețeaua cristalină CFC. Locul liber din centrul celulei elementare (1,02÷3,68Å)
creează posibilitatea dizolvării unor cantități relativ mari de carbon în această celulă.
solubilitatea maximă este de 2,11%C la 1148º C!
Cementita
✤Conține 6,67%C => compusul chimic al carbonului cu fierul α (Fe3C), numită și carbură de fier.
✤Rețea ortorombică, nu prezintă transformări alotropice, este cel mai dur constituent al aliajelor Fe-C (peste 800 HV), nu este plastic, este casant și fragil.
✤Este stabilă la temperaturi < de 727 ℃, în anumite condiții se poate descompune sub 727 ℃ în ferită și grafit.
primară
Cementita eutectică
secundară
eutectoidă
terțiară
lamelară
globulară
aciculară
în benzi
în plăci sau în insule
în rețeaDupă domeniul și condițiile în care se formează După aspectul microscopic
Perlita
Amestec mecanic de ferită și cementită. Cele două faze se separă simultan, în condiții de echilibru, la
temperatură constantă (727℃) din austenita de concentrație eutectoidă (0.77% C) la răcire lentă.
După aspectul microscopic
Lamelară ✦ lamele de cementită prinse într-o masă de bază de ferită,
✦ la răcirea lentă de la temperaturi mai înalte decât temperatura punctului, prin transformarea eutectoidă a austenitei
✦are aspectul unei amprente digitale
Globulară ✦sub formă de globule într-o masă metalică,
✦se poate obține printr-o recoacere de globulizare (de înmuiere) a perlitei lamelare
✦are cea mai bună prelucrabilitate prin așchiere
În rozetă ✦perlită fină cu aspect radial, ✦apare în oțelurile încălzite la temperaturi ridicate, temperaturi de la care ulterior sunt răcite în aer
Bainita
Ferită suprasaturată în carbon α’ și carburi globulare fine FexC.
Rezistenţa ridicată a bainitei se datorează dimensiunilor mici ale cristalelor de ferită, dispersiei precipitatelor de
carburi, densității mari a dislocațiilor și distorsiunii rețelei feritei datorită suprasaturării cu carbon.
Bainită superioară ✦ formată în apropierea maximului
cinetic (stabilitatea minimă a austenitei, tmin)
Bainită inferioară ✦ formată la temperaturi joase
deasupra punctului Ms, ✦ are o structură aciculară
asemănătoare martensitei
Martensita
Soluție solidă de carbon în fierul α, suprasaturată
și metastabilă.
Principala caracteristică: duritatea ridicată, care depinde practic numai de conținutul în carbon
!
Alte structuri
Troostita de călire ✦amestec de ferită și cementită, extrem de fin
✦călire moderată, cu o viteză de răcire mai mică decât cea critică
✦ la microscop: sub formă de pete negre, sferoidale sau rozete, situate la marginea grăunților (foști austenitici).
✦duritate de 35÷40 HRC, tenacitate și plasticitate mai ridicată decât a bainitei.
Troostita de revenire ✦din martensita de revenire sau călire în urma revenirii medii (300÷500℃)
✦amestec de ferită nerecristalizată și cementită parțial sferoidizată
Sorbita de călire ✦ la o răcire continuă mai lentă decât ce a troostitei
✦un amestec de ferită şi cementită mai puţin fin decât troostita
✦duritate sub 300 HB, plasticitatea și tenacitate > troostită.
Sorbita de revenire ✦din martensita sau troostita de revenire în urma revenirii înalte (500÷650℃)
✦ îmbină în modul cel mai favorabil caracteristicile de rezistenţă mecanică cu cele de plasticitate.
Martensita de revenire ✦din martensita de călire în urma revenirii joase (100÷250℃) și asigură oțelurilor carbon rezistenţă la tracțiune și duritate mari, în dauna tenacității
✦valorile alungirii și gâtuirii sunt mici.
• Gradul de fineţe a structurilor de tip perlitic • distanţa dintre lamelele de cementită şi
ferită, Δ0, ⇒ suma grosimii lamelei de cementită şi ferită.
• Valoarea lui Δ0 se poate calcula cu relaţia:
✦ TE este temperatura de echilibru (Ac); ✦ T temperatura la care are loc transformarea în
urma răcirii cu anumite viteze.
Temperatura de subrăcire Structura Reprezentare Valoarea lui
Δ0, µmDuritatea
HB
700°C Perlită 0,5-0,8 180
650°C Sorbită 0,3…0,4 250
600°C Trostită 0,1…0,2 400
Gradul de fineţe a structurilor de tip perlitic (schemă)
Influenţa elementelor de aliere
• Dacă în sistemul Fe-C mai intervine un element de aliere (X), ⇒ ternar Fe-C-X (15Cr9; 42Cr4 ş.a.).
• Carbonul în oțelurile aliate formează carburi cu elementele de aliere.
• Afinitatea termodinamică (-ΔG) a diverselor elemente pentru carbon:
Si-Al-Cu-Ni-Co-Fe-Mn-Cr-Mo-W-V-Ti-Nbnu formează carburi
(nu sunt carburigene)formează carburi
(sunt carburigene)
• Carburile formate sunt de două tipuri, în funcţie de natura elementului şi de conţinutul său: • cementite aliate: (Fe, X)3C, cu structură
ortorombică; • carburi speciale: (Fe, X)mCn; tipurile
principale sunt: M23C6; M6C; M2C; M7C3; MC.
M reprezintă unul sau mai multe elemente metalice, carburigene
• Ni şi Mn sunt elemente gamagene, măresc domeniul γ
• Si, Mo şi Cr sunt elemente alfagene reduc domeniul γ
Modificarea domeniului γ de către
Ni, Mn, Si, Mo, Cr
sfârșitul primului curs
TRATAMENTE TERMICECurs 2: Operațiile de bază ale TT
1
CUPRINS• Operațiile de bază ale T.T.• Operația de încălzire
• Transformarea α → γ în cursul încălzirilor rapide, fără menținere
• Transformarea α → γ în cursul încălzirilor cu menținere izotermă
• Operația de menținere• Operația de răcire
• Transformări structurale la răcire, CCT; TTT• Principiul construirii diagramelor CCT; TTT• Aplicații practice ale diagramelor CCT; TTT
2
OPERAȚIILE DE BAZĂ ALE T.T.
• Tratamentul Termic ca proces tehnologic de prelucrare la cald a produselor metalice, este constituit dintr-o serie de op. care se execută într-o anumită succesiune și care sunt definite și caracterizate prin valoarea unor param. => parametrii tehnologici
• Operațiile de bază:• Principale (înc.; menţ; răcire);• Auxiliare anterioare (curăţire, protejare, spălare, ş.a.)• Auxiliare ulterioare (curăţire, îndreptare, control, ş.a.)
3
OPERAȚIA DE ÎNCĂLZIRE
Stabilirea Temperaturii de Încălzire✦ tf reprezintă temperatura după care începe
operaţia de menţinere✦ se stabileşte în fc. de temp. pc. critice (AC1, AC3,
ACcem) şi de tipul TT (recoarece, normalizare, călire, revenire).
Stabilirea Vitezei de ÎncălzireÎn fc. de legile transmiterii căldurii în piesele metalice, tensiunile remanente, utilajele de înc.✦ v. teoretică → l.t.c.✦ v. admisibilă → t.r.✦ v. posibilă → u.î., mediul î. mărimea încărcăturii
40-80% din durata totală a unui ciclu termic
determină productivitatea
Parametrii:
4
TRANSFORMAREA α → γ ÎN CURSUL ÎNCĂLZIRILOR RAPIDE, FĂRĂ
MENȚINERE
• Influenţa vit. de încălzire asupra formării γ poate fi studiată cu ajutorul diagramelor de transf. la încălzire continuă, obținute cu ajutorul analizei dilatometrice.
• Trasate în sist. de coordonate temp. - timp (lg).• Curbele reprezintă, pentru fiecare viteză de încălzire
indicată în partea de sus a diagramei, diferitele etape ale formării austenitei în cursul încălzirii.
5
Diagrama de transformare la încălzire
continuă a oţelului 34 CrMo 4 (0,34 % C;
1,07% Cr şi 0,17 % Mo): Ac1, Ac3 – temp. de
început, respectiv de sfârșit a transformării.
6
TRANSFORMAREA α → γ ÎN CURSUL ÎNCĂLZIRILOR CU MENȚINERE IZOTERMĂ• În practică, austenitizarea se realizează printr-o încălzire,
până la o temperatură determinată, urmată de o menţinere la această temperatură
• cond. optime de austenitizare (t, τmenţ), => compromis între o γ omogenă şi o γ cu un grăunte fin,
• cinetica de transformare a feritei și carburilor în austenită, în cursul menținerii izoterme.
• Epruvetele sunt încălzite la o temperatură determinată, unde sunt menținute durate diferite; apoi ele sunt răcite rapid și examinate la microscop => diagrame care descriu cinetica transformării.
7
Timpul, s
Tem
pera
tura
, °C
1
23 4
Diagrama de transformare în
condiții izoterme a unui oţel eutectoid
normalizat în prealabil la 875°C
8
CURBELE DE AUSTENITIZARE ALE UNUI OŢEL EUTECTOID
• C. 1, 2, → începutul, respectiv sfârşitul transformării perlitei;
• C. 3 sfârșitul transformării carburilor,
• C. 4 → limita dintre austenita neomogenă şi cea omogenă.
• Se observă că formarea austenitei continuă pe parcursul menținerii şi se termină cu atât mai repede cu cât temperatura este mai ridicată.
9
OPERAȚIA DE MENȚINERE• are ca scop egalizarea temperaturii (durata de egalizare
termică ) şi desăvârşirea proceselor de transformare structurală (durata de transformare )
• Parametrii op. de menţinere sunt:• temperatura de menținere tf
• durata de menținere• gradul de egalizare (în practică 0,01÷0,5)
Durata de egalizare termică pentru piese cu grosimi mai mici decât 100mm, încălzite în cuptoare cu gaz sau electrice și pentru piese subțiri încălzite băi de
săruri este aprox. ¼ din durata de încălzire
10
OPERAȚIA DE RĂCIRE• De modul cum se execută depinde structura care va rezulta
(proprietățile produselor)• Parametrii:
• temperatura inițială tir
• durata de răcire τr
• viteza de răcire vr
tir → temperatura la începutul răcirii (~tf)tfr → temperatura la sfârșitul răciriitmed → temperatura mediului de răcire
11
RĂCIREA ÎN MEDII CARE ÎŞI SCHIMBĂ STAREA DE AGREGARE
Reprezentarea schematică a fazelor principale de răcire
Curba de răcire în medii care își schimbă starea de
agregareA. CalefacțiaB. FierbereaC. Răcire lentă
12
TRANSFORMĂRI STRUCTURALE LA RĂCIRE
• diagramele de echilibru => structurile de echilibru ale aliajelor, • apar în urma unor răciri foarte lente
• sunt construite în coordonate temp. – conc. => nu pot da informaţii asupra structurilor în afară de echilibru, => răciri mai rapide
• 2 metalurgişti americani Davenport şi Bain• Isothermal transformation diagrams• Time-Temperature-Transformation
Diagramele TTT la răcire în condiţii izoterme
diagramele Timp – Temperatură – Transformare 13
PRINCIPIUL CONSTRUIRII DIAGRAMELOR TTTcontinuous cooling transformation (CCT)
14
Reprezentarea schematică a transformării austenitei la răcire izotermă (temperatura constantă tb)• D. austenitizare " răcire cât mai
rapidă " temp. de transformare stabilită, ti (sub AR1)
• ol. eutectoid (0,77 % C ), austenitic (tf = ta=AC1+ (30÷50)°C = 775÷800°C
• tb1 (sub AR1) " menţ. τ1, " răcire în apă (tm = 20°C)
• duritatea HV şi structura • un alt lot de probe din acelaşi ol.
eutectoid se răcesc de la ta la tb1 " menţ. timp mai lung τ2 (τ2<τ1), " răcire în apă.
• se reperă la temp. tb1:
• τ3, τ4, τ5, …, τn
15
AustenităMartensităPerlită
Construirea diagramelor TTT (CCT)
C. început de transf.
C. sf. de transf.
Dur
itate
a H
VPunctul A11234567
16
Curba TTT la răcire izotermă a unui ol. eutectoid
17
Influența elementelor de aliere asupra diagramelor TTT
Diagrama Timp-Temperatură-Transformare (TTT) pentru două oțeluri:linia roșie pt. un oțel cu 0,4% C în greutate;linia verde pt. un oțel cu 0,4% C în greutate și 2% Mn în greutate.
P = perlită,B = bainităM = martensită.
18
Diagrama TTT izotermă a oţelului 41Cr4 (42C4) (atlas IRSID, Institut de Recherches
de la Sidérurgie Française)
19
Diagrama TTT la răcirea continuă a oţelului cu 0,25% C; 1,4% Cr; 0,5% Mo; şi 0,25% V
20
Diagrama TTT la răcire continuă a oţelului 42 MnV 7
21
APLICAȚIILE PRACTICE ALE DIAGRAMELOR TTT
• s-au stabilit noi cicluri de tratamente termice, comportând mențineri izoterme la temperaturi convenabil alese;
• s-au putut efectua transformări care să ducă la obținerea unor structuri uniforme în toată masa piesei, => str. perlitice sau bainitice.
• uniformizarea temperaturii în tot volumul piesei, pentru a se evita deformările și fisurile în timpul transformării martensitice.
• Recoacerea izotermă (perlitică) asigură obținerea de structuri uniforme în tot volumul produselor, cu o durată a ciclului scurtă => bună prelucrabilitate, la produsele forjate.
• se pot stabili intervale de temperaturi optime, pentru ca durata ciclului să fie minimă.
22
RECAPITULARE1. Care sunt operațiile de bază ale T.T.?
Principale (înc.; menţ; răcire);Auxiliare anterioare (curățire, protejare, spălare, ş.a.)Auxiliare ulterioare (curățire, îndreptare, control, ş.a.)
Transformarea α → γ în cursul încălzirilor rapide, fără menținereDiagr. de Transf. laÎnc. Cont.
Transformarea α → γ în cursul încălzirilor cu menținere izotermă
Aplicații practice ale diagramelor CCT; TTT
Diagr. de Transf. laÎnc. Izotermă
Transformări structurale la răcire, CCT; TTT
3. Operația de menținere
2. Operația de încălzire
4. Operația de răcire
Durata de egalizare termicăDurata de transformare
Principiul construirii diagramelor TTT
23
Recoacerea
Curs 31
Se aplică foarte rar
Se aplică frecvent
Se aplică rar
Recoaceri
•Omogenizare
•Normalizare
•Înmuiere (globulizare)
•Detensionare
•Recristalizare
2
RECOACEREA DE OMOGENIZARE• Uniformizarea prin difuzie a neomogenităţilor
chimice, fizice şi structurale, rezultate în urma solidificării în condiţii reale a oţelurilor.
Neomogenitatea chimică provocată în procesul de cristalizare a aliajului este cunoscută sub denumirea de segregaţie
3
Temperatura de omogenizare (tf) se determină, orientativ:
tf = (0,7…0,9)×tsts este temperatura solidusului real al oţelului
Diagrama recoacerii de omogenizare
4
Temperatura
Domeniul de temperaturi pentru recoacerea de omogenizare la oţeluri
Valorile superioare ale temperaturii •pentru aliaje cu tendinţă redusă de segregare interdendritrică
•cu puncte de topire coborâte sau medii
Valorile inferioare ale temperaturii •pentru aliaje cu puncte de topire ridicate (cazul oţelurilor aliate).
5
RECOACEREA DE NORMALIZARE• Scopurile •obținerea unei granulații fine,•uniformizarea structurii,•anularea structurilor de turnare, deformare plastică la cald,
sudare sau provenite de la tratamentele termice incorect aplicate anterior.
• De obicei, se urmărește ameliorarea caracteristicilor mecanice.
• R.N. ➜ T.T. primar sau final.
Suprafețele pieselor prelucrate prin așchiere, în cazul oțelurilor sărace în carbon, sunt, după normalizare, de calitate mai bună.
6
7
Deformarea elastică ➽ plastică
8
9
10
Modificarea structurii după recoacerea de normalizare
înainte de normalizare
după normalizare
Structura unui oţel cu 0,25%C după laminare
după laminare
după normalizare după normalizare
după turnare
structuri de laminare sau turnare înainte de normalizare și după aplicarea normalizării
11
Parametrii tehnologici
12
Diagramă de normalizare
Temperatura•R.N. (tf) se alege cu 20 –
60°C peste pct. critice ale oțelurilor.•Ol. hipereutectoide cu rețea
de Fe3C încălzirea se face cu 20 – 50°C peste Accem, ⇒ răcire rapidă în apă sau ulei (călire) ⇒ R.N. obișnuită.
Temperaturi mai mari decât cele indicate în figură nu sunt recomandate deoarece apare pericolul supraîncălzirii materialului
13
• În general temperatura de normalizare pentru majoritatea oțelurilor aliate este cuprinsă între 870 – 900°C.
• Pentru produse cu secțiuni mai mari se recomandă ca recoacerea de normalizare să se facă la temperaturi mai mari decât la produsele cu secțiuni mai mici
Efectul supraîncălzirii materialului la
normalizare
14
Viteza de răcire
odată cu cuptorul sau în aer liniștit sau ventilat
continuă sau în trepte
•Să se obțină structuri normale (apropiate de echilibru).•Răcirea se poate executa în două moduri:
Răcirea continuă se execută cu cuptorul până la circa 600°C, apoi în aer (recoacere clasică) sau direct în aer (normalizarea propriu-zisă).
15
Aplicații•RN la piese turnate din oțeluri carbon şi slab aliate, la piesele forjate,
matrițate și extrudate din oțeluri hipoeutectoide și la unele piese sau construcții sudate•Oțelurile aliate pentru carburare - de tipul CrNi sau CrNiMo,
normalizate la temperaturi mai înalte decât temperatura de carburare.•Se reduc deformațiile și se îmbunătățește prelucrabilitatea.•La unele oțeluri de carburare CrNi se recomandă chiar două recoaceri
de normalizare pentru a reduce deformațiile.•Piese cu secțiuni mari sau susceptibile de a avea tensiuni interne:
răcirea până sub A1 în aer, iar apoi se continuă răcirea în cuptor sau în gropi de răcire.•După prelucrarea la rece a produselor care au fost ecruisate la grade
critice.
16
RECOACEREA DE ÎNMUIERE (GLOBULIZARE)
• Îmbunatățirea prelucrabilității prin așchiere (așchiabilitatea);
• Îmbunatățirea prelucrabilități prin deformare plastică la rece (deformabilităţii)
• Obținerea unor structuri corespunzătoare pentru tratamentele termice ulterioare.
50% dintre piesele componente ale mașinilor și utilajelor se supun prelucrării prin așchiere
sau prin deformare plastică la rece.
17
•Scoaterea din uz a sculelor așchietoare• deformare și uzare progresivă• adeziune• abraziune.
1. Uzarea prin difuzie: la viteze mari de așchiere (temperaturi ridicate),
2. Uzarea adeziune la viteze mici (în special în prezenţa depunerii pe tăiș și a contactului discontinuu așchie-sculă), fiind accentuată de întreruperile de așchiere și de vibrații,
3. Uzarea abraziune: particulele dure de pe suprafața produsului sau din structura sa (compuși definiți duri și cu muchii ascuțite)
18
Prelucrabilitatea diferitelor structuri metalografice
19
Structura globulizată poate fi caracterizată prin gradul de globulizare (e)
raportul între cantitatea de perlită globulizată și perlita totală.
pl - este cantitatea de perlită lamelară; pg - cantitatea de perlită globulară; ptot - cantitatea totală de perlită.
e = 1, ➾ întreaga cantitate de perlită s-a globulizat
20
• Structura de perlită globulară are cea mai bună prelucrabilitate prin așchiere, întrucât tăișurile sculei nu trebuie să taie decât ferita, globulele de cementită sunt împinse la o parte sau smulse în cursul aşchierii, fără să fie tăiate de sculă ca la perlita lamelară.
• Perlita globulară poate fi prelucrată mult mai bine şi prin deformare plastică la rece, întrucât curgerea materialului este realizată de masa de bază feritică.
• Structura de perlită lamelară este necorespunzătoare pentru prelucrarea prin deformare plastică la rece (îndoire, ambutisare, bordurare, presare, răsucire) deoarece prin deformare, lamelele de cementită se rup şi produsele pot să se fisureze.
• R.G. este necesar să fie aplicată la toate oţelurile înaintea deformării la rece: a tablelor, benzilor şi sârmelor.
21
• Cementita globulară în masa de bază feritică este structura cu cea mai mică energie internă din sistemul Fe-Fe3C.
• O astfel de structură se poate obține din toate celelalte structuri – perlită, bainită, martensită – prin menţinere suficientă la o temperatură aflată imediat sub Ac1
• Trecerea pe această cale a structurilor cu energie internă mai mare în structură globulară de energie internă minimă, se realizează prin intermediul mecanismelor de
precipitare – coagulare dizolvare – reprecipitare
22
austenitizat la 800℃ menținut la 710℃
austenitizat la 777℃ și menținut la 660℃.
austenitizat la 850℃ și menținut la 685℃
austenitizat la 830℃ și menținut la 660℃23
Metode de globulizare încălzirea (640…680°C), menţinere lungă (6…12 ore) răcirea
recoacere sub-critică
înc. puţin peste Ac1, 20 – 70°C menţinere 1…5 ore răcire f. lentă (vr = 15 – 30°C/h) până sub Ar1 (cca. 650°C); răcire în aer
Înlocuire răcirii lente cu mai multe pendulări de scurtă durată în jurul intervalului critic Ac1 – Ar1.
recoacere pendulară
îmbunătăţire călire la martensită +
revenire înaltă la perlită
24
➡ Lamelele de cementită se transformă, treptat, sub influenţa tensiunii superficiale existente la limita ferită-cementită, în globule;
➡ Cementita globulară în masa de bază feritică are cel mei mic potenţial energetic.
➡ În timpul încălzirii până la A1 are loc o îmbogăţire în carbon a feritei şi a capacităţii de dizolvare a carbonului, de la 10-6% C la temperatura ambiantă, la 0,021%C la 727°C.
25
Procesul de fragmentare a lamelelor de cementită
ferită în perlită cementită în perlită
lamelă de perlită
începutul globalizării
26
se foloseşte temperatura de la prelucrarea la cald, piesele menţinându-se la temperatura de 600 – 700°C până la terminarea transformării (50 – 80 minute).
se face austenitizarea → piesele se răcesc brusc într-o baie de sare cu temperatura de 600 – 700°C, se menţin 50 – 80 minute, apoi se răcesc în aer.
27
1
2
Relația între prelucrabilitate și
forma perlitei
28
RECOACEREA DE DETENSIONARE
• reducerea la minim a deformațiilor din timpul tratamentelor termice ulterioare
• după prelucrările prin așchiere
Scopul reducerea tensiunilor remanente din produs, fără ai modifica sensibil proprietățile
Se elimină apariția fisurilor (în cazurile extreme)
tensiunilor remanente
29
deformare plastică la cald turnare
încălziri şi răciri neuniforme
sudare
tratamente termice
prelucrări mecanice cu îndepărtări masive de
materialmenţinerea în medii corozive
Tensiunile Remanente se
formează
30
Tensiunile Remanente
Tensiunile Funcționale
deformarea sau chiar ruperea pieselor în
care acţioneazăEste indicat să se procedeze la reducerea lor imediat după ce apar
31
Tensiunile remanenteprin dilatarea sau contracţia neuniformă, ➙ diferenţelor de temperatură pe secţiunea sau volumul produsului;
prin modificările de volum specific în urma transformărilor structurale;
prin acţiunea mecanică a procedeelor de prelucrare
tensiuni structurale
tensiuni termice
tensiuni mecanice
32
În funcţie de domeniul de
extinderetensiuni de ordinul
sau gradul
σRIIIσRIIσRI
33
• Tensiunile interne de gradul I, (tensiuni macroscopice), acţionează în volumul întregului produs sau în porţiuni macroscopice ale acestuia (mai mulţi grăunţi): • tensiunile termice, structurale şi mecanice.
• La o intervenţie din afară în echilibrul forţelor şi momentelor apar întotdeauna modificări dimensionale macroscopice.
Variaţia tensiunilor termice la răcirea unui materialDeformare plastică:
a) deformarea propriu zisă; b) distribuţia tensiunilor mecanice
34
• Tensiunile interne de gradul II: tensiunile termice care apar în materiale bifazice ca urmare a diferenţei dintre coeficienţii de dilatare a celor două faze
Tensiunile termice într-un material bifazic, cauzate de diferenţa coeficienţilor de dilatare ale celor două faze
După răcire la temperatura T1 < T0, grăunţii de tip A se vor contracta mai mult decât cei de tip B. Deoarece trebuie să se păstreze coeziunea la limita dintre grăunţi, în direcţia longitudinală apar tensiuni de întindere în grăunţii A şi de compresiune în grăunţii B.
35
• Tensiunile de ordinul III (microtensiuni) apar la nivelul reţelei cristaline şi cuprind tensiunile create de:
• atomii de substituţie (Si, Mn, Ni, Cr, Fe);
• atomii de interstiţie (C, N, B),
• dislocaţii,
• limite de grăunţi
• particule precipitate într-o soluţie solidă.
36
37
Cauzele apariţiei tensiunilor de ordinul III: 1-vacanţe, 2-atomi proprii interstiţiali, 3-atomii de substituţie străini, 4-atomi străini interstiţiali, dislocaţie 1-strat de atomi străini monoatomic, 2-limită de grăunte cu unghi mare
38
Recoacerea de detensionare
39
Parametrii recoacerii de detensionare
• Temperatura de încălzire este de 400÷650°C ⇒, R.D. este un tratament subcritic, ⇒ reducerea la minim a tensiunilor interne, fără să producă modificări de structură bazate pe transformarea polimorfă α→γ.
• Temperatura maximă de detensionare a produselor de oţel este, teoretic, punctul A1.
• Temperatura minimă de detensionare se alege în funcție de gradul de detensionare dorit, depășind, de regulă, valoarea de 400°C.
40
• Durata de menținere este de 1…3 ore.•Durata de egalizare termică se alege în funcție de
dimensiunea caracteristică a produsului (τm = 2⋅g; g – grosimea maximă de perete a piesei, mm).
• Viteza de încălzire: cu viteză mică pentru a se asigura scăderea limitei de curgere uniform pe toată secțiunea produsului. vî ~ 10…100°C/h, în funcție de calitatea oțelului, de forma și dimensiunile produsului.•Vitezele reduse de încălzire ⇒, până la 200 – 250°C, când
produsele sunt fragile.•Se recomandă regimul de încălzire odată cu cuptorul în
special la piese cu sensibilitate mare la fisurare.
41
• Viteza de răcire: cu viteză redusă•Nerespectarea regimului de răcire ⇒ creșterea tensiunilor, cu
toate că ceilalți parametrii tehnologici au fost corecți.
• vr 50 – 100°C/h asigură o micșorare corespunzătoare a tensiunilor interne
• Pentru țevi, table și piese cu secțiunea transversală uniformă, răcirea se poate face în aer
• Pentru piese cu forme complexe se recomandă răcirea în cuptor
42
Prelucrarea anterioarăCondiţiile recoacerii de detensionare Prelucrarea
ulterioarăÎncălzire Menţinere Răcire
Turnare Încălzire lentă până la 550-650°C
1h/25 mm de grosime maximă a secţiunii, dar nu mai puţin de 1h.
Cu cuptorul până la 200-300ºC, apoi în aer.
Prelucrări mecanice de degroşare
Sudare Încălzire lentă până la 600-800℃ ----
ForjareÎncălzire lentă sau rapidă până la 650-700℃.
Prelucrări de degroşare
Degroşare prin aşchiere 400 – 550℃Prelucrări de prefinisare sau finisare
Finisare prin aşchiere 120 – 200℃ 2 – 48 h Aer Finisare sau superfinisare
Deformare plastică la rece cu necesitatea păstrării parţiale a ecruisării
350 – 400℃ 10 – 30 min. Aer ----
Călire la martensită cu necesitatea păstrării durităţii ridicate
150 – 200℃ 1 – 2 h Aer Prelucrări de finisare
Revenire cu răcire rapidă pentru evitarea fragilizării de revenire înaltă
400 – 450℃ 1h/25 mm de grosime Aer sau cuptor Prelucrări de
finisare
43
Intervalele de temperaturi pentru principalele recoaceri aplicate oțelurilor carbon
44
CĂLIREA ÎN VOLUM
CĂLIREAmartensitică (durificare)
se aplică la majoritatea oţelurilor; unele aliaje neferoase (bronzuri cu aluminiu, aliaje pe bază de titan, etc.)
de punere în soluţie se aplică în gen. al. neferoase (Cu, Mg etc.) oțeluri austenitice, feritice, etc.
• Călirea în volum constă în • încălzirea şi menţinerea produselor la
temperaturi superioare punctelor critice ale oţelului, • în aşa fel încât să se producă
transformarea polimorfă α→γ a fierului şi să se obţină austenită,
• austenita ➥ răcită cu viteză suficient de mare pentru ca transformarea inversă γ→α să se producă fără difuzia fierului şi a carbonului, cel puţin parţial.
• După călire structura rezultată va fi: • martensita – în cazul absenţei totale a difuziei; • bainita când difuzia are loc parţial.
În cele mai multe cazuri se urmăreşte obţinerea
structurii martensitice
Călirea martensitică în volum (vr > vcr) ➠ aduce piesele într-o stare structurală caracterizată prin prezenţa unui constituent dur şi în afară de echilibru – martensita – pe o adâncime cât mai mare şi a unor tensiuni interne astfel distribuite încât să evite fisurarea şi deformarea
excesivă.
se urmăreşte obţinerea unei structuri martensitice în tot volumul produsului,
călire pătrunsă sau în volum,
se urmăreşte numai călirea straturilor superficiale
călire superficială
CĂLIRE
PARAMETRII TEHNOLOGICI• Temperatura finală (tf)
• Duratele de încălzire (τî) şi de egalizare (τeg)
• Durata de transformare (τtr)
• Mediul de încălzire
• Viteza de răcire (mediul de răcire)
în funcție de calitatea oțelului oțel carbon
hipoeutectoide 20ºC peste Ac3; hipereutectoide 20ºC peste Ac1;
oțeluri aliate depinde de temp. de dizolvare a carburilor
Temperatura finală
temperatura optimă de călire
duritatea după călire
cantitatea de austenită reziduală
Influenţa conţinutului de carbon asupra temperaturii şi rezultatelor călirii
oţelurilor carbon.
• Duratele de încălzire (τî) şi de egalizare (τeg )
• depind, în primul rând, de grosimea produselor (∼ 1 min. / mm grosime a piesei )
• Durata de transformare (τtr)
• trebuie să asigure ca o cantitate suficientă de carbon să treacă în austenită.
• numai carbonul dizolvat în austenită determină duritatea martensitei, nu şi carbonul care se găseşte în carburile nedizolvate.
• La încălzirea unui oţel carbon eutectoid, dizolvarea carburilor se termină
• la 740°C, după circa 5 ore,
• la 760°C – după 15 minute,
• la 780°C – după 5 minute
• la 820°C – după un minut
fără însă ca repartizarea carbonului în austenită să fie
uniformă
• Duratele de menţinere prea mici ➜
• dizolvare incompletă a carburilor,
• transformarea în treapta perlitică,
• martensita nu ajunge la duritatea maximă, datorită cantităţii mici de carbon dizolvate.
• Durate de menţinere prea lungi ➜ martensită grosolană ➟ rămâne o cantitate mare de austenită reziduală.
Mediul de încălzireTrebuie să asigure protecţia împotriva
oxidării decarburării
Pentru încălzirea pieselor în vederea călirii se utilizează:
cuptoare încălzite electric sau cu gaz; băi de săruri; strat (pat) fluidizat vidul (presiunea 10-2 torr).
Atmosferele controlate se aleg în funcţie de compoziţia chimică şi în primul rând în funcţie de conţinutul
de carbon al oţelurilor călite
atmosfere controlate
(endoterme, exoterme)
Viteza de răcireTrebuie să:
asigure obținerea unei structuri cu proporţie maximă de martensită evite apariţia unor tensiuni interne prea mari, care ar provoca deformarea sau chiar fisurarea pieselor.
Pentru obţinerea structurii martensitice este necesar ca:
în intervalul de stabilitate minimă a austenitei (650 – 400°C) ➠ viteză de răcire mare;
în intervalul MS – MF răcirea să se facă cu viteza minim posibilă ➟ pentru a evita apariţia tensiunilor interne.
• apa, soluţii apoase,
• uleiul mineral,
• sărurile şi metalele topite,
• aerul (în cazul oţelurilor bogat aliate),
• stratul (pat) fluidizat,
• mediile sintetice
• recent mediile gazoase (azot, argon, hidrogen ş.a.).
MEDII DE CĂLIREîn funcţie de călibilitatea oţelului:
Mediile de răcire lichide: medii care îşi modifică starea de agregare în timpul răcirii piesei; medii care nu îşi modifică starea de agregare în timpul răcirii piesei.
METODE DE CĂLIRE• După condiţiile de răcire:
a) călire obişnuită, b) călire întreruptă, c) călire în trepte, d) călire izotermă e) călire sub 0°C.
CĂLIREA SIMPLĂ
Modul de realizare Structura obţinută Aplicaţii
Înc. peste AC3 (ol. hipoeutectoide)
Înc. peste AC1 (ol. hipereutectoide)
menţinere răcire rapidă.
Martensită sau martensită + troostită la oţelurile hipoeutectoide. Martensită + carburi + austenită reziduală la oţelurile hipereutectoide.
Cea mai răspândită metodă de călire.
călirea într-un singur mediu de răcire
CĂLIREA ÎNTRERUPTĂ
Modul de realizare Structura obţinută AplicaţiiÎncălzire ca la călirea simplă; Răcirea în două medii de răcire:
primul cu o viteză mai mare decât cea critică (apa), al doilea cu o viteză mai mică (ulei).
MartensităPiese şi scule din oţeluri cu conţinut ridicat de carbon susceptibile la fisurare sau deformare.
(călire în două medii)
CĂLIREA ÎN TREPTE
Modul de realizare Structura obţinută Aplicaţii
Încălzire ca la călirea simplă; Răcirea de la temperatura de austenitizare într-o baie având temperatura uşor superioară punctului MS sau între MS şi MF; Menţinere pentru egalizarea temperaturii în toată masa piesei, fără să înceapă transformarea martensitei; Răcirea până la temperatura ambiantă, când are loc transformarea martensitică în toată masa.
Martensită sau martensită +
carburi + austenită reziduală.
Piese şi scule susceptibile la deformare sau
fisurare la călire
(martempering)
CĂLIREA IZOTERMĂ
Modul de realizare Structura obţinută Aplicaţii
Încălzire ca la călirea simplă; Răcirea în medii cu temperatura corespunzătoare domeniului bainitic, Menţinerea până la terminarea transformării izoterme a austenitei Răcire în aer.
Bainită superioară sau
inferioară.
Piese şi scule cu secţiuni subţiri,
din oţeluri aliate.
CĂLIREA SUB 0°C
Modul de realizare Structura obţinută Aplicaţii
Răcirea pieselor sau sculelor la temperaturi sub 0°C (-20°C ... 190°C). Martensită
Piese şi scule din oţeluri rapide, oţeluri pentru matriţe, oţeluri de cementare, oţeluri inoxidabile, martensitice, oţeluri maraging.
(tratament termic sub 0°C, tratament criogenic)
austenită reziduală
CĂLIREA SUPERFICIALĂprin inducție
Durificarea prin călire după încălzire
Călirea după încălzirea prin inducţie
CĂLIBILITATEA
Călibilitatea este o caracteristică tehnologică a materialului şi cuprinde două aspecte:
adâncimea de pătrundere a călirii; duritatea maximă a structurii de călire alcătuită numai din martensită.
• sau capacitatea de călire, depinde în primul rând de conţinutul de carbon şi mai ales de cantitatea de carbon pusă realmente în soluţie la austenitizare şi reţinută în martensită în cursul răcirii.
• Elementele de aliere intervin foarte puţin în modificarea durităţii maxime după călire. Ele influenţează asupra acestei durităţi maxime în toate cazurile când au tendinţa de a forma carburi (Cr, W, V, Mo, etc.) mai dure decât cementita oţelurilor hipereutectoide.
DURITATEA MAXIMĂ
ADÂNCIMEA DE PĂTRUNDERE A CĂLIRII
• Corespunde grosimii stratului călit, măsurată de la suprafaţa piesei spre miez până la o anumită valoare a durităţii.
• La oţelurile de scule se consideră ca zonă călită, zona martensitică (cu o anumită cantitate de austenită reziduală).
• În cazul oţelurilor de îmbunătăţire adâncimea de pătrundere se consideră până la duritatea zonei semimartensitice, adică formată din 50 % martensită şi 50 % troostită.
Relaţia dintre adâncimea de călire şi viteza critică de călire: ➡ a, a' - adâncimi de călire; ➡ vc’, vc’’, vc’’’ - diferite valori ale
vitezei critice de călire.
Repartizarea durităţii şi structurii într-o piesă cilindrică: ➡ h – adâncimea de călire; ➡ D – diametrul piesei; ➡ Dm – diametrul miezului necălit.
Adâncimea de călire de la suprafaţă, mm
Dur
itate
a, H
RC
HRCcrit.100%
HRCcrit.50%
FACTORI CARE INFLUENŢEAZĂ CĂLIBILITATEA
• Compoziţia chimică • Mărimea grăuntelui
austenitic • Temperatura de
austenitizare • Parametrii şi
particularităţile proceselor tehnologice de elaborare, deformare plastică şi tratament termic
• Forma şi dimensiunile piesei
• Structura iniţială (structurile lamelare dau o adâncime de călire mai mare decât structurile globulare), mediul de răcire, mişcarea relativă dintre mediul de răcire şi piesă
METODE PENTRU DETERMINAREA CĂLIBILITĂŢII
• Metoda determinării directe • Metoda rupturii • Metoda diametrului critic. • Metoda răcirii frontale (metoda Jominy)
Indicele de călibilitate J şi două grupe de cifre: Jd – HRC sau Jd – HV, în care d este distanţa de la capătul răcit, în mm.
EXEMPLE:• duritatea oţelului va fi de 45 HRC într-un punct cuprins între 6…8 mm de la capătul răcit: J6/8 – 45;
• duritatea oţelului va fi de 35 HRC într-un punct situat la 10 mm de la capătul răcit: J10 – 35;
• la distanţa de 5 mm de la capătul răcit duritatea are valori cuprinse între 47…56 HRC: J5 – 47/56.
Metoda răcirii frontale (metoda Jominy)
Mediul de răcire Viteza de răcire (0C/s) Apă curentă la 200C 360Apă curentă la 400C 200Apă curentă la 500C 60Apă curentă la 600C 50Apă curentă la 800C 40Soluţie NaCl 10% 235Soluţie NaCl 15% 270Soluţie NaOH 5% 250
Soluţie Na2CO3 10% 800Ulei de fusuri 2 60
Ulei de cilindru 24 170Ulei de in 260 – 280
Emulsii de ulei 70Topituri de săruri 50Topituri de plumb 5
Plăci de cupru 60Plăci de oţel 35
Amestec apă – aer cu debit de 20 l/h 1,0
Viteza de răcire în diferite medii de călire
APLICAŢII PRACTICE ALE CĂLIBILITĂŢII
• Pe baza indicelui de călibilitate se poate determina diametrul critic real D0 al oţelului în urma răcirii în apă sau ulei
• Determinarea diametrul critic ideal D∞. • Determinarea vitezei de răcire în orice punct al unei piese
călite. • se măsoară duritatea în aceste puncte şi pe baza curbei de
călibilitate se află distanţa de la capătul răcit la care se obţine aceeaşi duritate
Nomogramă pentru determinarea vitezei critice de călire.
Determinarea vitezei critice de călire
• Determinarea variaţiei durităţii şi structurii pe secţiunea pieselor călite
Utilizarea corelaţiei dintre curba de călibilitate şi dimensiunile piesei pentru determinarea durităţii în secţiunea piesei (a) sau pentru alegerea oţelului pe bază de călibilitate (b).
(a) (b)
Corelaţia dintre proba de călibilitate şi capacitatea relativă de răcire a mediilor uzuale (a) şi epruveta pentru determinarea capacităţii de răcire a unui bazin dat (b).
DEFECTE DE CĂLIRE
• Principalele defecte care apar la călire sunt:
• oxidarea şi decarburarea,
• duritatea scăzută,
• deformaţiile şi fisurile.
• Oxidarea şi decarburarea apar în cazul încălzirii în cuptoare fără atmosferă de protecţie.
• Decarburarea ➾ defecte cum sunt: duritate scăzută, pete moi, fisuri.
• Pentru evitarea lor se recomandă încălzirea în cuptoare cu atmosferă controlată, băi de săruri sau cel mai bine în cuptoare cu vid.
• Duritatea scăzută poate fi locală (pete moi) sau în toată masa piesei.
• Poate apare din cauza regimului de tratament termic incorect (subîncălziri, medii de răcire necorespunzătoare etc.).
• Alegerea necorespunzătoare a materialului şi structura iniţială pot duce la duritate scăzută
• Tendinţa de deformare se determină în funcţie de variaţia dimensiunilor epruvetelor măsurate înainte şi după călire, cu o precizie de ± 0,01 mm.
Deformarea
Tipuri de epruvete (a, b) pentru determinarea
tendinţei de deformare la călire şi modul de prelevare pentru
stabilirea influenţei fibrajului asupra gradului
de deformare ( c ).
deformaţiile sunt mai mari atunci când piesa se introduce incorect în bazinul de călire şi când pe anumite suprafeţe se
formează pungi de vapori, care reduc schimbul de
căldură cu mediul de călire
Exemple de introducere corectă a unor piese şi scule în mediul de călire
piesă răcită uniform
răcire neuniformă în partea de jos
deformațiile apărute după ce piesa s-a
răcit compet
dilatare
comprimare
compresiune
alungire
canelură
fisură după tratament termic
rază de racordare pentru a evita fisurarea
Deformații datorate
canelurilor
Canelură
Deformație datorită canelurii
Răcire rapidă
fisuri
Revenirea
• Revenirea se aplică întotdeauna după călire.
• Încălzirea produselor călite la temperaturi mai mari de 100°C, dar inferioare punctului AC1, menținere la aceste temperaturi și răcire în anumite condiții.
• Scopul aplicării revenirii este de a atenua nivelul tensiunilor interioare, de a reduce din duritate și a mări tenacitatea.
Considerații generale
• În cursul revenirii are loc difuzia atomică a carbonului (şi azotului), a fierului şi a elementelor de aliere.
• În urma acestor procese au loc modificări structurale care determină modificări ale proprietăților şi a stării de tensiuni.
• Structura de călire, care se află în afara echilibrului, va fi înlocuită, în funcție de temperatura de încălzire şi durata de menținere, cu o structură mai apropiată de echilibru.
• Revenirea este un tratament termic final şi în funcție de proprietățile mecanice necesare în exploatarea produselor, se stabilesc parametrii tehnologici.
Temperatura de revenire = 200°C; 350°C; 500°C; 690°COLC45 călit
KCU/HRC 6,2/56; 6,3/49; 22/39; 65/20KCU/HRC 3/60
• După călire, structura este formată din martensită şi austenită reziduală
• sunt structuri înafara echilibrului, în urma încălzirii şi menținerii ⇒ în structuri mai apropiate de echilibru.
Stadiile revenirii
1. 80…160°C, precipitarea unei faze bogate în carbon: M → M’ + ε, η
2. 230…280°C, descompunerea austenitei reziduale: A → B’
3. 160…400°C, formarea și creșterea cristalelor de cementită: η, ε →F3C
4. 400…700°C, coagularea și sferoidizarea cristalelor de cementită.
În fc. de temp. ⇒ patru stadii:
• 100÷150°C, C are tendința de a părăsi locurile pe care le ocupă în rețeaua de martensită.
• C se așează pe dislocațiile rețelei cristaline.
• 130°C → 250÷300°C, precipitarea carburilor de tranziție η (Fe2C) şi ε (Fe2,4C) la marginea maclelor de martensită deformarea rețelei cristaline
Primul stadiu
• Carbura ε ⇒ formă de plăcuțe subțiri cu grosimea de ordinul a câtorva straturi de atomi și sunt coerent legate de rețeaua soluției α’ a martensitei.
Datorită separării (precipitării) carburilor are loc o reducere treptată a gradului de tetragonalitate a martensitei, iar pe curba dilatometrică se înregistrează o contracție.
Curba dilatometrică a revenirii
austenită CFC2 celule de austenită
martensită
atomi de Featomi de Cinterstiții octaedrice
martensită
% Carbon în austenită
axa “a”
axa “c”
tvc cfc
cfc
Atomi de carbon “prinși” pe axa “c” a rețelei tvc
Par
amet
rul r
ețel
ei (Å
)
(a) Celula elementară a martensitei (tvc) se dezvoltă din celula elementară a austenitei (cfc) fără difuzie.
(b) Influenta conținutului de carbon asupra gradului de tetragonalitate (c/a) al martensitei.
• 230 şi 280°C și este caracterizat în principal de descompunerea austenitei reziduale la oțelurile carbon cu peste 0,5% C și la cele aliate cu peste 0,4% C.
• Austenita reziduală se poate transforma izoterm, cu formarea de bainită inferioară, sau se poate transforma în martensită de revenire.
Stadiul al doilea
• 280 – 400°C este caracterizat de formarea și creșterea cristalelor de cementită.
• Se continuă separarea treptată a carbonului din soluția solidă, cresc particulele de carburi, are loc un început de coagulare a acestora prin dizolvarea celor de dimensiuni mai mici şi creșterea celor de dimensiuni mai mari.
• Se micșorează gradul de tetragonalitate a martensitei şi se micșorează volumul
• Carburile intermediare de tranziție FexC, (Fe2C, Fe2,4C, etc.) se transformă în cementită.
Stadiul al treilea
• 400…700°C se caracterizează prin continuarea coalescenței şi sferoidizării cristalelor de cementită, proces ce începe în al doilea stadiu dar se desfășoară cu viteză maximă în acest ultim stadiu.
• Dimensiunile particulelor de carburi ajung la aproximativ 3 µm, iar în ferită se produce o recristalizare specifică ce duce la formarea unor grăunți mici echiaxiali.
Stadiul al patrulea
• Temperatura de revenire se alege în funcție de caracteristicile mecanice impuse piesei, știind că duritatea piesei călite scade o dată cu creșterea acestei temperaturi, iar tenacitatea crește.
• În funcție de temperatură se deosebesc trei tipuri de reveniri
Parametrii tehnologici ai revenirii
• Revenirea joasă între 100 şi 250°C.
• Duritatea scade cu 1…3 unităţi HRC.
• Se aplică pieselor şi sculelor din oțeluri cu conținut ridicat de carbon în scopul păstrării durităţii ridicate, avantajoasă pentru rezistența la compresiune, încovoiere şi uzare.
• Exemple: piese de uzare carburate sau carbonitrurate şi călite, piese de uzare călite superficial, scule așchietoare şi de tăiere la rece din oțeluri carbon (OSC-uri ) şi slab aliate, scule de măsurare şi verificare, ş.a.
• Revenirea medie: 300 şi 450°C
• Se aplică pieselor cu rezistență la uzare medie (de exemplu pentru mașini agricole) şi a componentelor elastice (arcuri, discuri elastice, segmenți de reglare a uleiului, bucşe elastice pentru dispozitive de strângere, ş.a.).
• Revenirea înaltă: 450…650°C
• Se aplică la numeroase piese de răspundere (organe de mașini în mişcare) care trebuie să întrunească atât caracteristici de rezistență statică şi la oboseală cât şi caracteristici de plasticitate şi tenacitate ridicate
• Exemple: osii, axe, arbori drepți şi cotiţi, roţi dințate, fuzete, biele, etc.
• Călirea urmată de revenire înaltă poartă denumirea de ÎMBUNĂTĂȚIRE
• Îmbunătățirea este un tratament aplicat, în general, oțelurilor de construcție cu un conținut mediu de carbon (0,3 – 0,5 %C) care asigură proprietăți specifice.
• În urma îmbunătățirii cresc foarte mult proprietățile la solicitări dinamice (reziliența).
• Îmbunătățirea poate fi atât un tratament final cât şi unul primar.
• Se folosește ca tratament final, înainte de prelucrările mecanice, în cazurile când piesele de formă complicată trebuie să aibă o reziliență ridicată şi după prelucrările mecanice, în cazurile când nu se poate aplica călirea din cauza deformațiilor posibile şi a pericolului apariției fisurilor.
• Ca tratament termic primar se utilizează înaintea unor tratamente de suprafață (călirea superficială, nitrurarea).
• În anumite cazuri acest tratament se utilizează şi pentru îmbunătățirea prelucrabilității oțelurilor hipoeutectoide preponderent feritice.
• deformarea la rece ⇒ călirea + revenire la 680-700°C
• prelucrare prin așchiere a unui oțel de carburare, călire + revenire la 550-590°C asigură o bună prelucrabilitate.
• Tratament subcritic, a cărui temperatură nu depășește, de regulă, 650°C, regimul de încălzire este cel cu temperatură constantă a cuptorului, fixată cu circa 10°C peste temperatura de revenire aleasă sau calculată.
Durata de revenire
• se poate face teoretic oricum, deoarece procesele urmărite se desfășoară în cursul încălzirii şi menținerii, de aceea se preferă răcirea cea mai comodă şi mai economică, în aer liniștit, cu unele excepții legate de răcire care se vor prezenta la fenomenul de fragilitate.
Răcirea
• În practică se constată că la unele oțeluri, în anumite intervale de temperatură, după o răcire lentă apare o scădere marcantă a tenacității şi în special a rezilienței
• Fenomenul poartă numele de
fragilitate la revenire • fragilitate ireversibilă sau fragilitate la
temperatură joasă (200 – 400°C) fragilitate la albastru sau la 350°C
• fragilitate reversibilă sau la temperaturi înalte (450 – 550°C) ⇒ “boala lui Krupp ”
Fragilitatea la revenire
• Modificarea rezilienței oțelurilor în funcție de temperatura de revenire şi de viteza de răcire ulterioară:
• I - răcire lentă,
• II - răcire rapidă,
• III – fragilitate ireversibilă,
• IV- fragilitate reversibilă
Tena
cita
te, K
CU
Temperatura °C
Cul
orile
de
reve
nire
1100 galben deschis
1200 alb
1050 galben
980 portocaliu deschis
930 portocaliu
870 roșu deschis
810 vișiniu deschis
760 vișiniu
700 vișiniu închis
650 roșu sângeriu
600 roșu maroniu
gri 330 gri-albastru 320
albastru deschis 310
albastru “albăstrea” 300
albastru închis 290
violet 280
roșu purpuriu 270
maro roșiatic 260
maro gălbui 250
galben pai 240
galben 230
galben deschis 220
alb gălbui 210
• Variația rezilienței în funcție de temperatura de revenire, pentru un oțel cu 0,3%C, 3,5% Ni, 1,7%Cr austenitizat la 850°C
Temperatura de revenire, °C
Ene
rgia
de
rupe
re la
20°
C (
Cha
rpy
– V
)
Previziunea prin calcul a durităţii după călire şi
revenire
• Datele experimentale referitoare la călibilitatea oțelurilor ⇒ programe de calcul pentru a prevedea proprietățile mecanice după călire şi revenire.
• Pe baza analizei sistematice a diagramelor TTT ⇒ stabilit curbe care permit să se prevadă comportarea oțelurilor la călire şi revenire în funcție de compoziția chimică şi de condițiile de austenitizare.
Schema de calcul în vederea prevederii proprietăților mecanice
• Pentru caracterizarea oțelului se apelează la vitezele critice, oțelul putând fi caracterizat prin trei viteze critice:
• v1- viteza critică de răcire martensitică;
• v2- viteza critică de răcire bainitică;
• v3- viteza de răcire critică corespunzătoare unei recoaceri.
• lg v1 = 9,81- (4,62 %C + 1,05 %Mn + 0,54 %Ni + 0,50 %Cr + 0,66 %Mo + 0,00183 Pa);
• lg v2 = 10,17 – (3,80 %C + 1,07 %Mn + 0,70 %Ni + 0,57 %Cr + 1,58 %Mo + 0,0032 Pa)
Valorile vitezelor critice se pot calcula în funcție de compoziția chimică şi
parametrul de austenitizare Pa (°C·h)
TRATAMENTE TERMICETratamente Termochimice
Principii generale
•TTCH pe lângă modificările de structură urmăresc și modificări ale compoziției chimice în straturile superficiale.
•În urma TTCH se schimbă starea de tensiuni și proprietățile straturilor superficiale și miezul produselor.
TTCH se aplică în scopul:
•creșterii durității superficiale;
•creșterii rezistenței la uzare;
•creșterii rezistenței la oboseală
•prevenirii acțiunii mediilor înconjurătoare la temperatură obișnuită și înaltă (rezistență la coroziune);
•menținerii la valori ridicate a caracteristicilor de plasticitate și de tenacitate ale miezului produselor
TTCH:
•se aplică: metalelor (Ti, Mo, W, Nb, Ta, şa), oțelurilor, fontelor, aliajelor neferoase (cupru-aluminiu)
•elementele care difuzează pot fi: metale, nemetale
•adâncimea stratului tratat este în funcție de: durată, concentrația mediului, temperatură și calitatea oțelului
TTCH
• Cromarea de difuzie• Silicierea• Zincarea de difuzie• Titanarea• Borurarea• Aluminizarea
• Carburarea• Nitrurarea
• Carbonitrurarea, Nitrocarburarea
• Sulfizarea şi sulfocarbonitrurarea
Carburarea
•Mărirea concentrației de C la suprafața unei piese printr-un complex de fenomene fizico-chimice.
•Încălzire peste punctul A3 (870-950°C), într-un mediu (solid, lichid sau gazos) capabil să cedeze carbon atomic, menținerea în fc. de adâncimea dorită (DC) și răcirea în anumite condiții.
•După carburare se aplică în mod obligatoriu Tratamente Termice, în general CĂLIRE şi REVENIRE JOASĂ în funcție de proprietățile impuse pieselor.
Fenomene fizico-chimice
•Reacții între componenții mediului de carburare
•Transportul spre suprafața metalică a componenților care eliberează carbon
•Transferul de carbon la interfața mediu piesă (adsorbție/desorbție)
•Difuzia carbonului în matricea metalică
•Interacțiunea carbonului cu componenții materialului
✦carbonul (mangal, cocs, cărbune de proveniență animală) și activatori (carbonații metalelor alcalino-pământoase sau alcaline, cloruri)
✦Compoziția mediului: 75-85% Na2CO3; 10-15% NaCl și 5-10% SiC.
✦medii naturale, introduse direct în spațiul de carburare gaz de sondă etc);
✦medii produse prin piroliza (disocierea termică, cracarea) unor hidrocarburi lichide, picurate în spațiul de lucru al cuptorului;
✦medii gazoase formate din endogaz (ca şi gaz suport sau gaz de transport) cu adaosuri de gaz natural sau propan, drept gaze active.
Medii de carburare
SOLID
LICHID
GAZOS
Schema unei instalații de carburare ionică (plasmă)
Instalație industrială de carburare ionică (plasmă)
Nitrurarea
•TTCH prin care se mărește concentrația de azot la suprafața pieselor la temperaturi cuprinse între 500 ÷ 550°C.
•Rezistentă la coroziune bună în: atmosferă umedă, apa de rețeaua industrială, aburi supraîncălziți, soluții alcaline slabe
•Reduce foarte mult efectul la crestătură (zgârieturile suprafețelor și a rizurilor provocate sculele așchietoare)
Diagrama de echilibru
FeN
Proprietăți
•Duritatea superficială (600÷1200 HV, fc. de compoziția chimică a oțelului),
•Crește rezistența la uzare prin frecare și a rezistenței la oboseală la solicitări de încovoiere și torsiune (25÷35%).
Nitrurarea în gaz:
Nitrurarea ionică
Caracteristici ale descărcărilor luminescenteSAs spațiul întunecos Aston LC lumina catodică SC Spațiul întunecos catodic Hittorf Crookes
LN lumina negativă SF spațiul întunecos Faraday SA Spațiul întunecos anodic LA lumina anodică
Schema de principiu a mecanismului nitrurării ionice (în plasmă) propriu-zise
Catod (piesa) -
Anod (carcasa) +
Carbonitrurarea C+N•mărește duritatea; rezistența la uzură, la oboseală, şi la presiunea de
contact etc.
•în fc. de temperatură,
•CN la temperaturi înalte (800÷900°C);
•CN la temperaturi medii (700÷720°C);
•CN la temperaturi joase (550÷580°C).
•în fc. de transformările care au loc în miez
•CN cu transformare α→γ în miez (727÷900°C);
•CN fără transformare α→γ în miez (< 727°C).
Sulfizarea și sulfocarbonitrurarea
•se aplică după călirea și revenirea pieselor ⇒ avantaje:
•crește considerabil rezistența la gripare şi la uzare a pieselor din oțeluri şi fonte;
•se elimină posibilitățile de gripare a suprafețelor la frecarea semiuscată sau chiar uscată și în cazul în care piesele în contact funcționează într-un mediu cu temperatură înaltă;
•se mărește rezistența la oboseală;
•se micșorează durata de rodaj ş.a.
Borurarea B
•se urmărește îmbogățirea stratului superficial în bor scopul măririi durității superficiale, a rezistenței la uzură (mai ales abrazivă) și a rezistenței la temperatură (800÷900 °C).
•se poate realiza în medii solide, lichide și gazoase, la temperaturi, de 850÷1050°C cu durata de 1÷10 ore, în funcție de adâncime.
Aluminizarea Al
•creșterea rezistenței la oxidare la temperaturi înalte (până la 700÷900°C) și la coroziunea atmosferică.
•mediu solid ⇒amestecuri: 50% aluminiu (pudră), 49÷49,5% oxid de aluminiu și clorură de amoniu, 0,5÷1,0%.
•Piesele se împachetează în amestecul de pulberi, în cutii metalice și se încălzesc la 950-1050°C.
•La 850°C rezultă o concentrație în aluminiu de 18%, iar la 1000°C 35% Al.
Silicierea Si•Mediile
•solide ⇒ ferosiliciu
•gazos în mufla cuptorului se introduc piesele şi pulbere de ferosiliciu.
•După încălzirea încărcăturii la 950÷1000°C se trece un curent de clor.
•menținere ⇒ difuzie (la 980°C, 2 ore ⇒ 1,4 mm)
•Structura stratului ⇒ soluție solidă de Si şi Fe.
•Crește rezistența la coroziune în acizi (acid azotic și sulfuric), atât la temperatura obișnuită, cât și la temperatura ridicată, duritatea nu crește.
•Stratul silicizat este fragil și nu se prelucrează prin așchiere.
Titanarea Ti
•îmbogățirea cu titan se face pentru mărirea rezistenței oțelului la coroziune.
•Titanarea în gaze a tablelor din oțel cu conținut mic de carbon într-un amestec de cloruri de titan şi de hidrogen la 900÷1000°C ⇒ creșterea rezistenței la coroziune şi o bună sudabilitate.
•Titanarea se poate face şi prin electroliză (85% KI+15% KF) cu utilizarea unui anod de titan solubil (densitatea de curent 0,4 ÷ 0,7 A/cm2) sau prin electroliza obișnuită a topiturii (16% K2TiF6 și 86% NaCl) cu o densitate de curent de 95 A/cm2 şi tensiune de 3÷6 V.
Recommended
