Když se pozorně podíváte na lom kovu, můžete jasně vidět, že se jedná o hromadu (agregaci) jednotlivých krystalů (zrn), které jsou navzájem těsně spojeny. Nejmenší částice kovu, stejně jako jakákoli jiná látka, je atom. V jednotkových buňkách, které tvoří krystaly železa, jsou atomy uspořádány ve specifickém pořadí. Toto uspořádání se mění v závislosti na teplotě ohřevu. Při jakékoliv teplotě pod 910° jsou atomy v krystalových buňkách uspořádány do tvaru krychle, tvořící tzv. krystalovou mřížku železa alfa. V této krychli je osm atomů umístěno v rozích mřížky a jeden ve středu.
Při zahřátí nad 910° dochází k přeskupení atomů a krystalová mřížka má podobu krychle se čtrnácti atomy; běžně se nazývá mřížka gama-železa. Při teplotě 1390° se mřížka gama železa přeskupí na mřížku s devíti atomy, nazývanou delta železo. Tato mřížka se od mřížky alfa železa liší tím, že má o něco větší vzdálenost mezi středy atomů a udržuje se až do roztavení železa, tedy až do 1535° (obr. 1).
Restrukturalizace krystalové mřížky během pomalého ochlazování probíhá v opačném pořadí: delta železo se při 1390° mění na gama železo a gama železo při 898° se mění na alfa železo.
Rýže. 1. Struktura krystalové mřížky: a – železo alfa a delta; b – železo gama.
Kritické transformační body
Obrázek 2 ukazuje křivky chlazení a ohřevu čistého železa. Jak je z těchto křivek patrné, při procesu restrukturalizace jedné mřížky na druhou, stejně jako při tavení a tuhnutí železa dochází k teplotním zastávkám, které jsou důsledkem uvolňování dodatečného tepla při ochlazování a absorpce přídavného teplo při zahřívání.
Rýže. 2. Křivky chlazení a ohřevu čistého železa.
Teplotní zastávky, při kterých dochází k přeskupení mřížky, se nazývají kritické teploty nebo kritické body a jsou označeny Arpři chlazení a Aс při zahřátí. V bodech Ar2a A.c2, atomová mřížka není přeskupena, ale mění se magnetické vlastnosti železa. Při teplotách nad 768° železo ztrácí schopnost být přitahováno magnetem. Při velmi nízkých rychlostech ohřevu a chlazení jsou kritické body A c3a A.r3se vzájemně neshodují o 12°. S rostoucí rychlostí ochlazování se rozpor mezi kritickými body zvyšuje, protože teplota výrazně klesá a železo se podchlazuje. Tento jev se nazývá hystereze.
Při ohřevu a chlazení oceli také dochází k restrukturalizaci atomové mřížky, ale teploty kritických bodů nejsou konstantní. Závisí na obsahu uhlíku a legovacích nečistot v oceli a také na rychlosti ohřevu a ochlazování.
Na Obr. Obrázek 3 ukazuje diagram stavu uhlíkové oceli během pomalého chlazení a ohřevu.
Obr.3. Stavový diagram uhlíkových ocelí.
Ocelová struktura
Struktura oceli je její vnitřní strukturou. Uhlík v oceli je ve formě chemické sloučeniny se železem a tato sloučenina se nazývá cementit. Kromě cementitu ocel obsahuje ferit, což je téměř čisté železo. V závislosti na obsahu uhlíku je větší nebo menší část feritu v mechanické směsi s cementitem, čímž vzniká nová struktura – perlit. Pokud je malý kousek kovu broušen, leštěn a leptán ve speciálním činidle, lze pod mikroskopem rozlišit struktury. Níže je uveden popis struktury slitin železa a uhlíku.
austenit je pevný roztok uhlíku a dalších prvků v gama železe. Nejvyšší obsah uhlíku, který se může v au-stenitu rozpustit, je 2 %. Austenit vzniká při tuhnutí tekuté oceli a při zahřátí pevné oceli nad kritické teploty.
V běžných ocelích je austenit stabilní pouze při teplotách nad kritickými body. Při ochlazení, a to i při nejvyšší rychlosti, z těchto teplot, se austenit transformuje na jiné struktury. Při pokojové teplotě je austenit zcela zachován v řadě jakostí nerezových ocelí, v oceli s vysokým obsahem manganu a zůstává v malých množstvích při kalení některých jakostí nástrojových a konstrukčních ocelí.
Austenit je měkký, plastický, viskózní a má malou elasticitu. Jeho tvrdost podle Brinella se pohybuje od 170 do 220.
Austenit je nemagnetický a má nízkou elektrickou vodivost.
Ferit je pevný roztok uhlíku a dalších prvků v alfa železe. Nejvyšší obsah uhlíku, který se může rozpustit ve feritu, je 0,04 %. Ferit je stabilní při teplotách pod kritickým bodem AC1. Z austenitu se uvolňuje, když se tento pomalu ochladí pod A6i. Ferit je měkký a vysoce tvárný. Tvrdost HB= 60-100. Ferit je magnetický až do 768°. Nad touto teplotou ztrácí své magnetické vlastnosti.
Cementit je chemická sloučenina železa s uhlíkem Fe3C – karbid železa. Cementit obsahuje 6,67 % uhlíku. Pomalým chlazením se uvolňuje z kapalného a pevného roztoku. Cementit je velmi tvrdý a křehký. Jeho tvrdost je НB = 800–820. Je magnetický až do 210°. Nad touto teplotou ztrácí cementit své magnetické vlastnosti.
Perlit je mechanická směs feritu a cementitu. Vzniká z austenitu při pomalém ochlazování. Teplota přeměny austenitu na perlit je 723°C. Při velmi pomalém přechodu přes tuto teplotu vzniká cementit ve formě zrn (kuliček), perlit se pak nazývá zrnitý. Při rychlejším ochlazování má cementit podobu desek a takový perlit se nazývá lamelární. Při velmi rychlém ochlazení, v důsledku výrazného podchlazení austenitu, se místo perlitu získávají další struktury, o kterých bude řeč dále.
Perlit je magnetický, odolný a tvárný. Jeho tvrdost se pohybuje od 160 do 230 kg/mm2 podle Brinella. Při zpracování řezáním poskytuje struktura zrnitého perlitu nejčistší povrch.
Martenzit vzniká v důsledku velmi rychlého ochlazení (zhášení) austenitu. Při rychlém ochlazení má čas dojít k restrukturalizaci krystalové mřížky gama železa na mřížku železa alfa, ale nestihne dojít k uvolnění uhlíku do karbidu železa a vše zůstane rozpuštěno v mřížce železa alfa. . Protože normálně alfa železo nemůže rozpustit více než 0,04 % uhlíku, nazývá se takový roztok přesycený. Vyznačuje se velmi vysokou tvrdostí (přes Rc= 60) a křehkost. Mělo by být zdůrazněno, že mřížka alfa železa, která je výsledkem kalení, má zdeformovaný tvar. Rozměry jeho okrajů tedy nejsou stejné – v jednom směru jsou protáhlé na úkor ostatních (viz obr. 4). Taková mřížka se nazývá tetragonální. Čím více uhlíku je v oceli, tím větší je tetragonalita mřížky a větší vnitřní pnutí. Při zahřátí na teploty 100-200° se tetragonalita martenzitu zmenšuje, tvar jeho krystalové mřížky se přibližuje tvaru pravidelné krychle a zároveň se snižují vnitřní napětí. Martenzit je magnetický.
Rýže. 4. Struktura krystalové mřížky oceli kalené na martenzit.
Troostitis je vysoce disperzní (jemně drcená) směs feritu a karbidů. Vzniká při ochlazování austenitu rychlostí zpomalenou proti kalení nebo v důsledku ohřevu (popouštění) martenzitu v rozmezí 250-400°.
Při zahřívání kalené oceli se uhlík postupně uvolňuje z krystalové mřížky za vzniku karbidů. Troostit je méně odolný a tažnější než martenzit. Jeho tvrdost je HB330-400. Při ochlazení austenitu v horkém prostředí v rozmezí 250-400° (izotermická přeměna austenitu) vzniká jehličkovitý troostit, který je o něco pevnější než běžný troostit.
Sorbitol je dispergovaná směs feritu a karbidů. Vzniká při ochlazení austenitu nízkou rychlostí nebo při zahřátí (temperování) martenzitu na 400-650°. Karbidy sorbitolu jsou větší než karbidy troostitu. Sorbitol je plastický, viskózní a magnetický. Tvrdost HB 270-320.
ledeburit je eutektická směs austenitu a cementitu. Obsahuje 4-3 % uhlíku Ledeburit vzniká při tuhnutí kapalné slitiny s obsahem uhlíku vyšším než 2 %. Ledeburit je křehký.
Na Obr. 5. Jsou uvedeny fotografie ocelových konstrukcí s různým obsahem uhlíku.
Struktura oceli s obsahem uhlíku 0,83 % se skládá z pevného perlitu a nazývá se eutektoid; s nižším obsahem uhlíku se ocelová struktura skládá z perlitu a feritu a nazývá se hypoeutektoidní a s vyšším obsahem uhlíku se ocelová struktura skládá z perlitu a cementitu a nazývá se hypereutektoid. Teplota 723°, při které se perlit přeměňuje na austenit, se také nazývá kritická a označuje se Ac.
Aby hypoeutektoidní a eutektoidní ocel mohla být zcela vyžíhána, normalizována nebo kalena, musí být zahřátá na teplotu, při které by přešly do austenitického stavu.
Rýže. 5. Mikrostruktura žíhané uhlíkové oceli:
a – s obsahem uhlíku -0,1 %
b – s obsahem uhlíku -0,85 %
c – s obsahem uhlíku -1,1 %
Transformace, ke kterým dochází v oceli při zahřívání
Podle schématu na Obr. 3 můžete sledovat změny ve struktuře tří různých druhů oceli při zahřátí:
- Ocel s obsahem uhlíku 0,83 %. Ocelová konstrukce je perlitová. Při teplotě 723° v bodě Ac1 perlit přechází v austenit.
- Ocel s obsahem uhlíku 0,4 %. Ocelová konstrukce je perlit a ferit. Při teplotě 723° v bodě К1 perlit se přeměňuje na austenit a jak teplota stoupá, volný ferit se v austenitu rozpouští. Když se přímka GS protne v bodě K2, rozpouštění feritu skončí a struktura bude sestávat výhradně z austenitu. Pro tento ocelový hrot K1na diagramu bude spodní kritický bod As1,a K2— horní kritický bod Aс1,.
- Ocel s obsahem uhlíku 1,2 %. Ocelová konstrukce je perlit a cementit. Při teplotě 723° v bodě Pi se perlit přeměňuje na austenit a s dalším zvyšováním teploty se cementit v austenitu postupně rozpouští. Když SE čára protne v bodě P2, toto rozpouštění skončí. Pro tuto ocel bude bod P1 dolním kritickým bodem Ac1 a bod P2 bude horním kritickým bodem, který je pro hypereutektoidní oceli označen jako Aсm.
Čára na diagramu označená písmeny GS, odpovídá konci rozpouštění feritu v austenitu v podeutektoidních ocelích a čára SE odpovídá konci rozpouštění cementitu v austenitu v hypereutektoidních ocelích.
Je třeba poznamenat, že hypereutektoidní oceli se během operací tepelného zpracování nezahřívají nad linií Acт(takto vysoká teplota ohřevu povede k přehřátí a zhoršení vlastností oceli) a jsou omezeny na ohřev nad prvním kritickým bodem ACl, která plně zajišťuje získání potřebných vlastností.
Transformace probíhající v oceli při pomalém ochlazování
V ocelích zahřátých do austenitického stavu dojde při velmi pomalém ochlazování k obráceným přeměnám, a to:
a) v oceli s obsahem uhlíku 0,83 % se austenit změní na perlit;
b) v oceli s obsahem uhlíku 0,4 % se nejprve začne z austenitu srážet ferit a poté se při teplotě 700 ° zbylý austenit změní na perlit a
c) v oceli s obsahem uhlíku 1,2 % se nejprve z austenitu vysráží cementit a poté se při teplotě 700° zbylý austenit přemění na perlit.
Ani při velmi pomalém ochlazování se teplota rozkladu austenitu neshoduje s teplotami, při kterých austenit vznikal při zahřívání. Čím větší je rychlost chlazení, tím větší je hystereze, tj. rozdíl mezi kritickými teplotami (body) během ohřevu a chlazení.
Transformace probíhající v oceli při rychlém ochlazování
Jak již bylo zmíněno výše, při rychlém ochlazení nestihne přeměna austenitu na perlit s uvolněním přebytečného feritu nebo cementitu dojít a v závislosti na rychlosti ochlazování se austenit přeměňuje na nové struktury – martenzit, troostit nebo sorbitol. Ocel s těmito strukturami se liší od ocelí s perlitovou a feritovou strukturou zvýšenou tvrdostí, pevností a sníženou tažností. Pokud se uhlíková ocel zahřátá nad kritické teploty velmi rychle ochladí, pak se austenit přemění na martenzit a tato přeměna začne až při teplotě asi 200°. Při mírně nižší rychlosti ochlazování se tvoří struktura troostitu a při ještě nižší rychlosti sorbitol.
Při výrobních podmínkách, kdy se uhlíková nástrojová ocel chladí ve vodě, vzniká martenzit, při ochlazení v oleji troostit a při ochlazení v proudu vzduchu sorbitol. Na Obr. Obrázek 6 ukazuje mikrostruktury kalené oceli.
Rýže. 6. Mikrostruktura kalené oceli:
V legovaných ocelích, kvůli přítomnosti speciálních prvků, tvorba martenzitu nevyžaduje tak vysokou rychlost chlazení jako u uhlíkových ocelí a martenzit vzniká při chlazení v oleji a u rychlořezných ocelí – při chlazení na vzduchu.
Troostit a sorbitol lze získat nejen jako výsledek zrychleného chlazení, ale také zahřátím kalené oceli s martenzitovou strukturou na teplotu pod Ac1t.j. temperováním oceli. V tomto případě se troostit získává zahřátím oceli na 400° a sorbitol zahřátím na 650°. Při zahřátí na střední teploty se získají smíšené struktury: při zahřátí na 250-400 ° – martenzit a troostit a při zahřátí na 400-650 ° – troostit a sorbitol. Za výrobních podmínek se troostit a sorbitol získávají popouštěním kalené oceli.
Transformace, ke kterým dochází v oceli během ochlazování v prostředí s teplotou nad 200° (izotermická transformace)
Pokud se díl ohřátý nad kritickým bodem umístí do prostředí s teplotou od 700 do přibližně 200° a udržuje se v něm, dokud se teplota v celém průřezu nevyrovná, pak se austenit přemění na strukturu, která odpovídá transformace při dané teplotě.
Chování oceli během izotermického zpracování, volba teploty a doba výdrže se posuzuje z křivek izotermické transformace vytvořených pro různé jakosti oceli.
Rýže. 7. Schéma izotermické přeměny austenitu v uhlíkové oceli.
Na Obr. Obrázek 7 ukazuje diagram izotermické transformace v oceli. Vodorovná osa ukazuje čas začátku a konce transformace a svislá osa ukazuje teplotu, při které k ní dochází. Linka A с odpovídá přechodu austenitu na perlit a linii Mн — vznik martenzitu z austenitu. Na zatáčce I začít a na zatáčce II strukturální transformace končí.
Pokud se uhlíková nástrojová ocel zahřátá na 800° vloží do oleje, roztavené soli nebo alkálie při teplotě 250°, vytvoří jehlovitý troostit s vysokou tvrdostí Rc=45–55. Pokud je stejná ocel ochlazována v prostředí s teplotou nad 600°, vzniká v ní perlit a taková ocel se snadno obrábí. Při ochlazování oceli v prostředí se středními teplotami vznikají struktury troostitu a sorbitolu s odpovídající tvrdostí.
Izotermické žíhání našlo široké uplatnění při tepelném zpracování nástrojových ocelí jako proces, který výrazně zkracuje dobu ve srovnání s jinými typy žíhání.
Izotermické kalení se při výrobě nástrojů používá zřídka kvůli nedostatečné tvrdosti dosažené tímto procesem pro nástroj.
