KURZUS: Anyagismeret

MODUL: Egyensúlyitól eltérő átalakulások, hőkezelés

15. lecke: Egyensúlyitól eltérő átalakulások. Ausztenitesítés

|  | az átalakulások egyensúlyitól való eltérésének okai a kristályosodással keletkezett ausztenit jellemzői az ausztenit egyensúlyi módon való kialakulása hevítésnél az eutektoidos- a hipoeutektoidos- és a hipereutektoidos acélok egyensúlyi ausztenitesedése az ausztenit nem egyensúlyi képződése ausztenitesedési diagrammok értelmezése a hevítéssel keletkezett ausztenit jellemzői a hevítéssel keletkezett ausztenit szemnagyságát befolyásoló tényezők és hatásuk
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | meghatározni a kristályosodással és a hevítéssel keletkezett ausztenit jellemzőit, az ausztenit szemcsenagyságát befolyásoló tényezőket jellemezni az ausztenitedés folyamatát
|  | Az egyensúlyitól eltérő átalakulások. Ausztenitesítés
|  | Az előzőekben láttuk, hogy az egyensúlyi diagramok alapján meg lehet határozni a kristályosodás, a fázis átalakulások stb. hőmérsékleteit.
Minél nagyobb a lehűtés vagy hevítés sebessége annál nagyobb az eltérés az egyensúlyi és a tényleges átalakulási hőmérséklet között. |  | A valóságban, ha a lehűlési sebesség nem nagyon lassú, "végtelen lassú'', hanem nagyobb, ezek a folyamatok, nem a diagram jelezte hőmérsékleten mennek végbe, mert a fázisátalakulások túlhűtést igényelnek, és a túlhűtés mértéke nem független a lehűlési sebességtől.
|  | A szilárd oldatokban a fázisátalakulások esetében jelentősen változik az összetétel is. A összetétel megváltozása szilárd állapotban diffúzióval lehetséges. A diffúzió pedig időt igényel. Minél gyorsabb a hűtés vagy a hevítés annál kevesebb az idő a diffúzióra.
|  | Az ausztenitesedés folyamata
|  | A vasötvözetek között kiemelt jelentőséggel bírnak az acélok. Az acélok szobahőmérsékleten előforduló szövetelemei kivétel nélkül az ausztenitből képződnek. Az ausztenit mint "anyafázis" meghatározza a belőle képződő szövetelemek tulajdonságait. Ezért először az ausztenittel kell megismerkednünk.
|  | Az acélokban kétféle módon keletkezhet ausztenit
|  | kristályosodással hevítés során
|  | A kristályosodással keletkező ausztenit
|  | Az ausztenit szilárd oldat, ezért a kristályosodással létrejövő ausztenit összetétele nem egyenletes, hanem réteges. A krisztallit belseje az ötvözőkből, szennyezőkből kevesebbet tartalmaz, mint a széle.
|  | A hevítésnél keletkező ausztenit (egyensúlyi)
|  | Az egyensúlyi diagram szerint eutektoidos acélban az ausztenitesedés 723 C°-on (A1 hőmérséklet) játszódik le, az alábbi egyenlet szerint:
α P ( 0,025 ) + Fe 3 C ( 6,67 ) ⇒ γ S ( 0,8 )
|  | A hőmérséklet nem változhat, hiszen a három fázis miatt Sz = 0.
1. ábra. Az Fe-Fe3C diagram eutektoidos részlete, ausztenit képződése
|  | Az ausztenit képződése a fázisok határvonalán kezdődik, ott ahol a legtöbb a rácsrendezetlenség, tehát a legmagasabb az energiaszint. α t.k.k. rácsa átalakul l.k.k. γ -vá, és a megnövekedett C oldóképesség eredményeként a vaskarbid Fe3C C-jának diffúziója megkezdődik. A folyamat csiraképződéssel jár és diffúziót igényel! A hipoeutektoidos acélokban a továbbiakban a ferrit alakul át ausztenitté a hipereutektoidos acélokban az ausztenit növekvő hőmérséklettel növekvő C oldóképessége feloldja a Fe3CII-t.
|  | Az ausztenit képződése a valóságban
2. ábra. A szabadenergiák az átalakulási hőmérséklet közelében
|  | Az ausztenit képződése a valóságban nem mehet végbe az egyensúlyi hőmérsékleten, hiszen az átalakulás hajtóereje az α és γ fázisok közötti szabadenergia különbség, ami az átalakulás hőmérsékletén nulla, ezért túlhevítésre van szükség.
|  | Az ausztenit az acélokban valóságos körülmények között létrehozható:
|  | izotermikus hevítéssel folyamatos hevítéssel
|  | Az ausztenitesedés folyamatát az ausztenitesedési diagramok mutatják.
|  | Izotermikus ausztenitesítési diagram
|  | Az izotermikus hevítés azt jelenti, hogy adott hőmérsékletű só vagy fémfürdőbe dobjuk a darabot. A darab, ha elég kicsi pl. 2-3 mm vastag kb. 5 mm átmérőjű korong vagy lapka, hamar átveszi a hőmérsékletet, és ettől kezdve a hőmérséklet állandó.
|  | A próbatesteket adott hőmérsékletű (T>Ac1) sófürdőben különböző, egyre növekvő ideig tartjuk, majd onnan kivéve azonnal vízbe dobjuk.
|  | A gyors hűtés hatására a már keletkezett ausztenit egy kemény fázissá az ún. martenzitté alakul, a még át nem alakult szövetelemek viszont a gyors hűtés során nem változnak.
|  | A folyamat keménységméréssel vagy szövetvizsgálattal nyomonkövethető. A kísérletet több hőmérsékleten elvégezve az ausztenitté átalakulás megkezdéséhez és a befejeződéséhez szükséges idő meghatározható. A mért értékekből ausztenitesítési diagram szerkeszthető.
Izotermikus = állandó hőmérséklet |  |
3. ábra. 0,45% C tartamú acél izotermikus ausztenitesítési diagramja
|  | Az ábrán, a vízszintes tengelyen a sófürdőben tartásideje van feltüntetve. Mivel itt néhány másodperctől több óra időtartamot is kell tudni ábrázolni, az időadatokat logaritmikus léptékben tüntetjük fel. A függőleges tengelyen a különböző hőmérsékletek vannak (a sófürdő hőmérséklete). A pirossal behúzott vízszintes vonal az A1 egyensúlyi 723 C° hőmérséklet. Ehhez a vonalhoz tart az alsó két hiperbola. A felső az A3 hőmérséklethez. Ezek a hiperbolák egyensúlyi helyzetben az ötvözetjelzőnek a PS vonallal és a GS vonallal való metszéspontnak felelnek meg. (Lásd 1. ábra.)
|  | A diagramból látható, hogy először a perlit ausztenitesedik, majd a ferrit alakul át. Legtöbb időt a vaskarbid átalakulása igényli, a nagy koncentráció különbség miatt. Megfigyelhető, hogy ha izotermikusan növeljük a hőmérsékletet az ausztenitesedés hamarabb kezdődik és hamarabb ér véget, mivel nagyobb a hőmérséklet különbség, tehát az ezzel arányos szabadenergia különbség a hajtóerő, de a magasabb hőmérsékleten nagyobb a diffúzió is.
|  | Az izotermikus diagramok használhatósága korlátozott, mivel a gyakorlatban a nagyobb darabok esetén nehéz, vagy nem is lehet az izotermikus hevítés feltételeit megvalósítani.
|  | Folyamatos ausztenitesítési diagram
Dilatáció=tágulás |  | A folyamatos hevítésre érvényes diagramokat szabályozható hevítési sebességgel hevített darabok dilatométeres görbéi alapján veszik fel. A tágulás mérése alkalmas az ausztenitesedés vizsgálatára, ugyanis az átalakulás a fajtérfogat csökkenésével jár.
Egy arra alkalmas berendezésben kisméretű próbatestet hevítenek vagy hűtenek és az átmérőjét vagy hosszát mérik. A vízszintes tengelyen a felhevítés ideje logaritmikus léptékben, a függőleges tengelyen a hőmérséklet van feltüntetve. A hiperbolák az A1 (itt Ac1, a c arra utal, hogy az A1 egyensúlyi értéke hevítésnél felfelé tolódik el. Ezt jelöli a c) illetve az Ac3 hőmérséklethez tartanak. |  |
4. ábra. 0,7% C tartalmú acél folyamatos ausztenitesítési diagramja
|  | A folyamatok megegyeznek a 3. ábrán leírtakkal.
|  | Figyelje meg, hogy a folyamatos hevítés sebessége az átalakulást a magasabb hőmérséklet és a kisebb idő irányába tolja el.
|  | A diagramokról leolvasható, hogy adott hevítési viszonyok mellett mennyi idő múlva kezdődik az átalakulás, és mennyi idő múlva ér véget.
|  | A hevítéssel keletkezett ausztenit tulajdonságai
|  | az összetételétől az összetételének egyenletességétől és nem utolsó sorban a szemcsenagyságtól függnek.
|  | A szemcsenagyság szerepe a elsősorban a lehűlés közben bekövetkező átalakulásoknál jelentős, hiszen a krisztallithatár a legreakcióképesebb.
|  | A hevítéssel keletkező ausztenit legfontosabb tulajdonsága az, hogy szemcsenagysága nem állandó, hanem mindaddig, amíg az acél ausztenites állapotban van a szemcsenagysága állandóan nő, és hűtéskor a lehűlési sebességtől függetlenül megtartja a hevítésnél kialakult szemcseszerkezetet. Ezt a viselkedést irreverzibilis szemcsedurvulásnak nevezzük.
|  | Mitől függ a hevítéssel keletkezett ausztenit szemcsenagysága
|  | hőmérséklet hőntartási idő az ausztenit összetétele
|  | Az izzítás hőmérsékletének növelésével az ausztenit szemnagysága erősen nő.
5. ábra. Az ausztenitesítés hőmérsékletének hatása
|  | A függőleges tengelyen a szemcsenagyság jelzőszáma, a vízszintes tengelyen az ausztenitesítés hőmérséklete van feltüntetve. A jelzőszám értelmezése
S = 2 m + 3 [ szemcsedb mm 2 ]
|  | ahol S az 1 mm2-re eső szemcsék száma m a fokozatszám
|  | Tehát minél kisebb a fokozatszám, annál durvább a szemcseszerkezet.
|  | Az ábrán a normális acél szemcsenagysága a hőmérséklettel fokozatosan nő. A finomszemcsés acél tartalmaz szemcsefinomító ötvözőket pl. alumíniumot, amely megakadályozza a szemcsedurvulást. Az Al az acélban lévő nitrogénnel nitridet képez és az ausztenit szemcsehatárokon helyezkedik el. Amíg ezek oldatba nem mennek az ausztenit szemcsenagysága alig nő. Azután azonban rohamos a durvulás.
|  | A hőntartási idő hatása is hasonló a hőmérsékletéhez, ha nem is olyan nagy mértékben, mint a hőmérséklettel, durvul az ausztenit. Az ausztenit összetételének hatása pl. Al finomító hatású lehet.
6. ábra. A felhevítés sebességének hatása
|  | Figyelje meg az ábrán, hogy az 1 C°/s felhevítési sebesség lényegesen durvább ausztenitet eredményez adott hőmérsékleten, mint az 100 C°/s.
|  | Fontos megjegyezni, hogy a hevítés sebessége is lényeges, gyors hevítésnél, nincs idő a durvulásra.

|  | Ellenőrző kérdések
| Jelölje meg az egy helyes választ!
| 1. Mi jellemzi a hevítéskor keletkező ausztenit szemcsenagyságát?
| A hőmérséklet és a hőntartási idő a szemcsenagyságot növeli.
| A hőmérséklet növelésével nő, visszahűtve csökken.
| Irreverzibilis durvulás, ami azt jelenti, hogy a hőmérséklet növelésével nem nő.
| A hevítés sebességének növelésével nő.
| 2. Mi jellemzi a kristályosodással keletkezett ausztenitet?
| A szemcsenagysága nem állandó.
| Szilárd oldat, összetétele nem egyenletes, homogén.
| Szilárd oldat réteges, összetétele nem egyenletes.
| Vegyület, összetétele nem egyenletes, nem homogén.
| 3. Mi jellemzi az eutektoid (perlit) ausztenitesedését?
| Diffúziós folyamat, a fázisok határvonalán kezdődik, nem jár csiraképződéssel.
| Diffúziós folyamat, a fázisok határvonalán kezdődik, csiraképződéssel jár.
| Csak folyamatos hevítéssel hozható létre.
| Rácsátbillenéssel jön létre, diffúziós folyamat.
| 4. Hogyan befolyásolja a hevítés hőmérséklete a hevítéskor keletkező ausztenit szemcsenagyságát?
| Magasabb hőmérsékleten finomabb.
| Magasabb hőmérsékleten durvább.
| Nem befolyásolja csak a hőntartás ideje.
| Nem befolyásolja csak az ausztenit karbon tartalma.
| 5. Mit jelent a hevítéskor keletkező ausztenit irreverzibilis szemcsedurvulása?
| Ausztenites állapotban a szemcsenagyság nő, lehűtéskor csökken.
| Ausztenites állapotban a szemcsenagyság nő, lehűtéskor is megmarad.
| Ausztenites állapotban a szemcsenagyság állandó, lehűtéskor csökken.
| Ausztenites állapotban a szemcsenagyság állandó, lehűtési sebesség növelésével nő.
| 6. Vizsgálja meg a táblázatban feltüntetett állításokat. Jelölje be, hogy igaz vagy hamis!
Folyamatos hevítéssel az ausztenit képződése a magasabb hőmérsékletek és a rövidebb idő felé tolódik el. |
A folyamatos ausztenitesítési diagram használata korlátozott, mert nehéz megvalósítani a folyamatos hevítést. |
Az izotermikus ausztenitesítési diagram használata korlátozott, mert a nagyobb darabok esetében hevítést nehéz megvalósítani az izotermikus hevítés. |
A hevítéskor keletkező ausztenit szemcsenagysága nem állandó, magasabb hőmérsékleten durvább. |
A finomszemcsés acélokban a nitrid zárványok gátolják az ausztenit szemcsedurvulását. |