Vanlige varmebehandlings metoder for stål:

Transkript

1 Vanlige varmebehandlings metoder for stål: 1. SPENNINGS- og REKRYSTALLISASJONSGLØDING (ProcessAnneal) - ferritt i stål med C < 0,25% C styrkes ved kalddeformering - gløding opphever virkningen 2. NORMALISERING og GLØDING (Normalize, Annealing) - C-stål kan styrkes ved å kontrollere størrelse, form og fordeling av Fe 3 C - Avkjøling austenitt perlitt: a) Langsom (luft) fin perlitt god styrke NORMALISERING b) Veldig langsom (i ovn) grov perlitt lav styrke, god duktilitet GLØDING undereutektoide stål C < 0,8%, temp. ca C over A 3 overeutektoide stål C > 0,8%, temp. ca C over A 1 hindrer Fe 3 C i å danne hard og sprø film rundt perlitt-kornene 3. BLØTGLØDING, SFÆRODISERING (Spherodize) - høyt C - innhold gir mye Fe 3 C dårlig maskinerbarhet - lang glødetid (2-20h) gir Fe 3 C som kuler i ferritt - prosessen benyttes også for herdet stål Henning Johansen side 1

2 Varmebehandlingstemperaturer Henning Johansen side 2

3 Anbefalte varmebehandlingstemperaturer for ulegert stål, avhengig av C-innhold. Process Anneal = SPENNINGS- og REKRYSTALLISASJONSGLØDING Normalize = NORMALISERING Annealing = GLØDING Spherodize = BLØTGLØDING, SFÆRODISERING Henning Johansen side 3

4 Effekten av C og varmebehandling på egenskapene til C - stål. (1 ksi = 6,9 N/mm 2 ) Henning Johansen side 4

5 T - T - T DIAGRAMMER - Fe - Fe 3 C fasediagrammet for langsom avkjøling LIKEVEKT STRUKTURER - Utnytter: C løselig i γ - jern, ikke i α - jern, til fremstilling av andre strukturer med andre egenskaper IKKE LIKEVEKTSTRUKTURER - Først: AUSTENITTISERING - høy temp. over A 3 stor diffusjonskoeffisient kort glødetid - for høy temp. grovkornet austenitt redusert slagseighet TEMP. : C over A 3 GLØDETID : 5-25min. (høyeste verdi for legert stål p.g.a. langsom diffusjon av legeringselementer) Kartlegging av austenittens omvandling ved avkjøling: T id - T emperatur - T ransformasjon DIAGRAMMER (Time - Temperature - Transformation) Henning Johansen side 5

6 Omdannelse av austenitt ved konstant temperatur, I - T DIAGRAMMER Fremgangsmåte: I sothermal - T ransformation DIAGRAMMER Henning Johansen side 6

7 Eksempel: Eutektoide stål, C = 0,8% C - omdannelse ved C (og C) Austenitten omdannes til PERLITT Henning Johansen side 7

8 Isoterm omdannelse av austenitt til PERLITT. Henning Johansen side 8

9 Isoterm omdannelse av austenitt til PERLITT, prosessen: Skjematisk fremstilling av perlittomvandling: - et cementittkim, Fe 3 C, tar til å vokse på en austenitt-, γ, korngrense (f.eks. uoppløst Fe 3 C i austenitten) - C diffunderer frem til kimet - C - innholdet i austenitten faller reaksjon: austenitt ferritt - ferrittkorn innkimes på begge sider av cementittlamellen - ferrittkornene vokser (C 0) - C - innholdet i den tilgrensende austenitten øker reaksjon: austenitt Fe 3 C - prosessen fortsetter av seg selv, AUTOKATALYTISK - det dannes PERLITTKOLONIER - f. Henning Johansen side 9

10 I - T DIAGRAM for eutektoid stål. γ - Austenitt γ u - uomdannet austenitt P s - Perlitt start omdanning (1%) P f - Perlitt ferdig omdannet (99%) B - Bainitt M - Martensitt Henning Johansen side 10

11 GROV og FIN PERLITT. Vendepunkt kurve - PERLITTNESE. Når temperaturen faller: - øker kimdannelseshastighet og krystallenes veksthastighet (begge prosesser kontrollert av diffusjon) hurtigere omdannelse - samtidig faller diffusjonshastigheten langsom omdannelse VENDEPUNKT på kurven I - T diagram for eutektoid stål. Perlitt som dannes ved: - høy temperatur - grov-lamellær stor avstand mellom lamellene - lav temperatur - fin-lamellær liten avstand mellom lamellene, redusert diffusjonshastighet redusert diffusjonsavstand høyere flytegrense og bedre duktilitet Henning Johansen side 11

12 Isoterm omdannelse av austenitt til BAINITT - dannes ved temperaturer under ca C (eutektoid stål) - består av fasene ferritt og cementitt (samme som perlitt) - fasene er finfordelte og overmettede - diffusjonshast. er sterkt redusert ØVRE BAINITT: - krystalldannelsen starter på austenittens korngrenser - strukturbildet blir fjæraktig - grov struktur Bainitt på en austenittkorngrense x Henning Johansen side 12

13 Isoterm omdannelse av austenitt til BAINITT (forts.) NEDRE BAINITT: - krystalldannelsen starter ved at ferritt-krystaller dannes mange steder inne i austenitt-krystallene - strukturbildet blir nålaktig - fin struktur BAINITT er hardere enn perlitt, hardere jo lavere omdannelsestemperatur. Henning Johansen side 13

14 Omdannelse av austenitt til MARTENSITT - dannes ved hurtig avkjøling - C < ca. 0,2% kfs austenitt overmettet krs martensitt - C > ca. 0,2% kfs austenitt tetragonal romsentrert struktur, trs, martensitt Austenitt Martensitt - C-atomene blir fanget i sine plasser - består av ferritt overmettet på C, 1 fase, krs trs trs enhetscelle med mulige plasser for C-atomer. Bare få av plassene er fylt med C-atomer. - teoretisk c = 2 a og forholdet c a = 2 = 1, 41 - ved omdannelse endres gitterparameterene: c reduseres (ca. 18% for C = 0,9%) a ekspanderer (ca. 12% for C = 0,9%) ( c/a = 1,04) - forholdet c/a øker med C-innholdet - Prosessen uavhengig av diffusjon uavhengig av omdannelsestiden - veksthastighet ca. 1/3 av lysets hastighet ( 1/ m/s) Henning Johansen side 14

15 MARTENSITT (forts.) - krystallene som dannes i austenitten er nålaktige - M start og M ferdig faller når C-innholdet øker - Når C > ca. 0,6% er M f under romtemperatur RESTAUSTENITT Martensitt (mørk) og restaustenitt (lys). Sammensetningen er lik for begge. - MARTENSITT er hard og sprø ofte uønsket Henning Johansen side 15

16 MARTENSITT (forts.) - hardheten av Martensitt er avh. av: - C-innholdet - andelen av Martensitt er avh. av: - innholdet av legeringselementer utenom C - avkjølingshastigheten - indre spenninger p.g.a. volumforandring etter herding forkastninger og herdesprekker under avkjølingen - volumøkning austenitt martensitt er ca. 4% (C = 0,9%) - unngå skarpe hulkiler spenningskonsentrasjoner Henning Johansen side 16

17 MARTENSITT (forts.) - forkastninger og herdesprekker kan motvirkes ved STEGHERDING (Marquenching) - avkjøler i saltbad med temp. noe over M s - holdetid for temperatur utjevning - avkjøling i luft - martensitt dannes omtrent samtidig i hele volumet Henning Johansen side 17

18 I - T DIAGRAMMER for ikke-eutektoid stål - hvert stål har sitt karakteristiske I - T diagram Henning Johansen side 18

19 Omdannelse av austenitt ved tilnærmet konstant avkjølingshastighet, C - T DIAGRAMMER C ontineous - T ransformation DIAGRAMMER 11 Ferrous Alloys - Heat Treatments (lectures notes) - I - T diagrammer har liten anvendelse ved praktisk varmebehandling av stål - i praksis: - kontinuerlig avkjølingsforløp med tilnærmet konst. avkjølingshast. som i vann, olje eller luft - omdannelsen fører ofte til blandingsstrukturer av F, P, B, M - C - T diagram avviker noe fra I - T diagram Henning Johansen side 19

20 Forskjell mellom I -T diagram og C - T diagram: For mange stål, liten forskjell på C - T - og I - T diagram. I - T diagram benyttes ofte ved kontinuerlig avkjøling Henning Johansen side 20

21 Avkjølingshastigheten bestemmer strukturen: C - T diagram for stål med 0,2% C og 0,45% Mn Henning Johansen side 21

22 Kritisk avkjølingshastighet / herdbarhet KRITISK AVKJØLINGSHASTIGHET: Laveste avkjølingshastighet ( 0 C/s) som gir 100% martensitt Kritisk avkjølingshastighet - kurve 2 HERDBARHET: Bestemmes ved praktisk prøving. Måler tykkelsen av martensitt i en sylindrisk prøvestav Brukes ofte isteden for kritisk avkjølingshastighet Henning Johansen side 22

23 VIRKNINGEN AV LEGERINGSELEMENTER på T-T-T diagrammene Eksempel. 2 stål med samme C-innhold, men forskjellig legeringsinnhold: C = 0,42%, Mn = 1,58% C = 0,42%, Mn = 0,78%, Ni = 1,79%, Cr = 0,80%, Mo = 0,33% - Transformation diagr.(cct & TTT) SteelMATTER Henning Johansen side 23

24 VIRKNINGEN AV LEGERINGSELEMENTER på T-T-T diagrammene (forts.) - Alle legeringselementer (untatt Co) flytter kurvene mot høyre i diagrammet - Legeringselementene forsinker C-diffusjonen lengere tid for omdannelse VIRKNINGEN AV AUSTENITTISERINGS-TEMPERATUREN på T-T-T diagrammene - Økning av austenittiseringstemperaturen forskyvning av kurvene mot høyre - Høy austenittiseringstemperatur i forhold til A 3 senking av M f - linjen Henning Johansen side 24

25 NORMALISERING - Anvendes i første rekke for undereutektiske C- og lavlegerte stål - stål utsatt for temperaturer høyt over A 3 (eller A cm ) grovkornet γ - struktur Henning Johansen side 25

26 NORMALISERING (forts.) - ved avkjøling dannes såkalt WIDMANNSTÄTTEN - struktur - består av ferritt + perlitt med uheldig fordeling - gir lave fasthetsegenskaper, liten bruddforlengelse og lav slagseighetsstyrke - vanlig i stålstøpegods - kan forekomme i smigods og sveiseforbindelser Henning Johansen side 26

27 NORMALISERING (forts.) - normaliseringstemperatur: C over A 3 - holdetid for utjevning av konsentrasjonsforskjeller i γ - strukturen - rolig avkjøling i luft Henning Johansen side 27

28 BLØTGLØDING, SFÆRODISERING - Høyt C- og legerings-innhold i stål gir høyt cementitt- og karbid-innhold - Cementitt og karbider er plateformede og harde vanskelig å bearbeide ved kalddeformasjon og avsponing - Ved bløtgløding danner cementitt og karbider kuler R e og HB reduseres, A 5 øker lettere bearbeiding Henning Johansen side 28

29 BAINITTHERDING - Benyttes for tynne emner - Eks. : Verktøy og maskindeler utsatt for slitasje og slag - Prosess: - Austenittisering - Hurtig avkjøling i saltbad (må være liten forskjell mellom avkjølingskurvene overflate/kjerne) - Holdetid - Avkjøling i luft 11 Ferrous Alloys - Heat Treatments (lectures notes) Henning Johansen side 29

30 MARTENSITTHERDING - Herdbarheten avh. av C- og legeringsinnhold - Ulegerte stål med C < 0,2%, ikke herdbare - Prosess: - Austenittisering - Undereutektoide stål : C over A 3 - Overereutektoide stål : C over A 1 (samme som bløtgløding) - Hurtig avkjøling Henning Johansen side 30

31 ANLØPING av MARTENSITT - Martensitt er hard og sprø, og har indre spenninger (p.g.a. volumutvidelse) som kan føre til sprekkdannelser liten anvendelse Prosess: - Oppvarming til C - Ved diffusjon omdannes martensitt til nye faser - Hardheten faller - Fe-C-herding-anløping-diagrammer NTNU Henning Johansen side 31

32 SEIGHERDING Martensittherding etterfulgt av anløping til høye temperaturer - Gir bedre styrkeegenskaper enn i normalisert tilstand - R e blir høyre - Forholdet R e /R m blir større - Det dannes harde karbider som bremser dislokasjonsbevegelsen Henning Johansen side 32

33 SEIGHERDING (forts.) Anløpingsdiagrammer (eksempler): Henning Johansen side 33

34 SEIGHERDING (forts.) Anløpingsdiagram (eksempel): Henning Johansen side 34