SPENNINGS- og REKRYSTALLISASJONSGLØDING …€¦ · 1 1 Ferrous Alloys -Heat Treatments (lectures notes) Henning Johansen © side 1

11 Ferrous Alloys - Heat Treatments (lectures notes)

Henning Johansen © side 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 Fe3C - 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. 300C over A3 overeutektoide stål C > 0,8%, temp. ca. 300C over A1 hindrer Fe3C i å danne hard og sprø film rundt perlitt-kornene 3. BLØTGLØDING, SFÆRODISERING (Spherodize) - høyt C - innhold gir mye Fe3C → dårlig maskinerbarhet - lang glødetid (2 - 20h) gir Fe3C som kuler i ferritt - prosessen benyttes også for herdet stål



Varmebehandlingstemperaturer



Anbefalte varmebehandlingstemperaturer for ulegert stål, avhengig av C-innhold.

Process Anneal = SPENNINGS- og REKRYSTALLISASJONSGLØDING Normalize = NORMALISERING Annealing = GLØDING Spherodize = BLØTGLØDING, SFÆRODISERING



Effekten av C og varmebehandling på egenskapene til C - stål. (1 ksi = 6,9 N/mm2)



T - T - T DIAGRAMMER - Fe - Fe3C 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 A3 → stor diffusjonskoeffisient → kort glødetid - for høy temp. → grovkornet austenitt → redusert slagseighet TEMP. : 30 - 500C over A3 GLØDETID : 5 - 25min. (høyeste verdi for legert stål p.g.a. langsom diffusjon av legeringselementer) Kartlegging av austenittens omvandling ved avkjøling:

Tid - Temperatur - Transformasjon DIAGRAMMER

(Time - Temperature - Transformation)



Omdannelse av austenitt ved konstant temperatur, I - T DIAGRAMMER

Isothermal - Transformation DIAGRAMMER Fremgangsmåte:



Eksempel: Eutektoide stål, C = 0,8% C - omdannelse ved 6500C (og 6000C)

Austenitten omdannes til PERLITT



Isoterm omdannelse av austenitt til PERLITT.



Isoterm omdannelse av austenitt til PERLITT, prosessen:

Skjematisk fremstilling av perlittomvandling: - et cementittkim, Fe3C, tar til å vokse på en austenitt-, γ, korngrense (f.eks. uoppløst Fe3C 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 → Fe3C - prosessen fortsetter av seg selv, AUTOKATALYTISK - det dannes PERLITTKOLONIER - f.



I - T DIAGRAM for eutektoid stål.

γ - Austenitt γu - uomdannet austenitt Ps - Perlitt start omdanning (1%) Pf - Perlitt ferdig omdannet (99%) B - Bainitt M - Martensitt



GROV og FIN PERLITT. Vendepunkt kurve - PERLITTNESE.

I - T diagram for eutektoid stål.

Når temperaturen faller: - øker kimdannelseshastighet og krystallenes veksthastighet (begge prosesser kontrollert av diffusjon) → hurtigere omdannelse - samtidig faller diffusjonshastigheten → langsom omdannelse → VENDEPUNKT på kurven 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



Isoterm omdannelse av austenitt til BAINITT - dannes ved temperaturer under ca. 5000C (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. 30 000x



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.



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

trs enhetscelle med mulige plasser for C-atomer. Bare få av plassene er fylt med C-atomer.

- C-atomene blir fanget i sine plasser - består av ferritt overmettet på C, 1 fase, krs → trs

- teoretisk c a= ⋅2 og forholdet ca= =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 (≈ 1/3 ⋅ 3⋅108m/s)



MARTENSITT (forts.) - krystallene som dannes i austenitten er nålaktige

Martensitt (mørk) og restaustenitt (lys).

Sammensetningen er lik for begge.

- Mstart og Mferdig faller når C-innholdet øker

- Når C > ca. 0,6% er Mf under romtemperatur → RESTAUSTENITT - MARTENSITT er hard og sprø → ofte uønsket



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



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



I - T DIAGRAMMER for ikke-eutektoid stål

- hvert stål har sitt karakteristiske I - T diagram



Omdannelse av austenitt ved tilnærmet konstant avkjølingshastighet, C - T DIAGRAMMER

Contineous - Transformation DIAGRAMMER

- 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



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



Avkjølingshastigheten bestemmer strukturen:

C - T diagram for stål med 0,2% C og 0,45% Mn



Kritisk avkjølingshastighet / herdbarhet KRITISK AVKJØLINGSHASTIGHET: Laveste avkjølingshastighet (0C/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



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

http://www.matter.org.uk/steelmatter/metallurgy/7_1_2.html�



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 A3 → senking av Mf - linjen



NORMALISERING - Anvendes i første rekke for undereutektiske C- og lavlegerte stål - stål utsatt for temperaturer høyt over A3 (eller Acm) → grovkornet γ - struktur



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



NORMALISERING (forts.)

- normaliseringstemperatur: 50 - 80 0C over A3 - holdetid for utjevning av konsentrasjonsforskjeller i γ - strukturen - rolig avkjøling i luft



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 → Re og HB reduseres, A5 øker → lettere bearbeiding



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



MARTENSITTHERDING - Herdbarheten avh. av C- og legeringsinnhold - Ulegerte stål med C < 0,2%, ikke herdbare - Prosess: - Austenittisering - Undereutektoide stål : 50 - 700C over A3 - Overereutektoide stål : 50 - 700C over A1 (samme som bløtgløding) - Hurtig avkjøling



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 80 - 7000C - Ved diffusjon omdannes martensitt til nye faser - Hardheten faller - Fe-C-herding-anløping-diagrammer NTNU

http://www.ivt.ntnu.no/ipm/und/fag/TMM4100/Kapitler/Filer_kap6_del2/jernkarbon.swf�



SEIGHERDING Martensittherding etterfulgt av anløping til høye temperaturer - Gir bedre styrke- egenskaper enn i normalisert tilstand - Re blir høyre - Forholdet Re/Rm blir større - Det dannes harde karbider som bremser dislokasjons- bevegelsen



SEIGHERDING (forts.) Anløpingsdiagrammer (eksempler):



SEIGHERDING (forts.) Anløpingsdiagram (eksempel):

Documents

SPENNINGS- og REKRYSTALLISASJONSGLØDING …€¦ · 1 1 Ferrous Alloys -Heat Treatments (lectures notes) Henning Johansen © side 1