Większość metali w przemyśle poddawana jest obróbce cieplnej. Obróbka cieplna obejmuje nagrzewanie do określonej temperatury, wytrzymanie i następne schładzanie metalu lub stopu w celu zmiany jego struktury i uzyskania pożądanych właściwości fizycznych, mechanicznych oraz innych.
W procesie obróbki cieplnej metal poddawany jest transformacji, która poprawia jego właściwości wytrzymałościowe i odporność na zużycie, zapewniając także odpowiednią twardość i ułatwiając obróbkę narzędziami na obrabiarkach.
Przemiany w stali podczas nagrzewania
Podczas obróbki cieplnej stal jest nagrzewana, aby uzyskać strukturę austenitu. Stal o zawartości węgla mniejszej niż 0,8% przy nagrzewaniu do temperatury AC1 składa się z ziaren perlitu i ferrytu. W punkcie AC1 rozpoczyna się rekrystalizacja perlitu do drobnoziarnistego austenitu. Przy dalszym nagrzewaniu do temperatur AC1-AC3 nadmiarowy ferryt rozpuszcza się w austenicie, a po osiągnięciu temperatury ACm (linia GSE na diagramie żelazo-węgiel) przemiany są zakończone. Powyżej punktu AC3 stal składa się wyłącznie z austenitu.
W stali nadeutektoidalnej powyżej temperatury AC1 zaczyna rozpuszczać się nadmiarowy cementyt, a struktura powyżej punktu ACm składa się wyłącznie z austenitu.
Po zakończeniu przemian, kiedy cały perlit przechodzi w austenit, stal uzyskuje drobnoziarnistą strukturę austenitu. Szybkość tworzenia się austenitu i wyrównywanie jego składu zależą od różnych czynników, w tym temperatury i obecności dodatków stopowych (chrom, wolfram, molibden itp.), które spowalniają proces.
Austenit jest niejednorodny pod względem składu chemicznego: w miejscach dawnych płytek cementytu jest bogatszy w węgiel, a w miejscach płytek ferrytu – uboższy. Aby wyrównać skład chemiczny ziaren austenitu, stal nagrzewa się nieco powyżej górnego punktu krytycznego AC3 i wytrzymuje w tej temperaturze. Przy dalszym podnoszeniu temperatury małe ziarna austenitu zaczynają się łączyć, a im wyższa temperatura, tym intensywniej rosną ziarna.
Rodzaje ziaren austenitu
Ziarna austenitu dzielą się na początkowe, rzeczywiste i naturalne. Ziarno początkowe to rozmiar ziarna w momencie zakończenia przemiany perlitu w austenit. Ziarno rzeczywiste to ziarno uzyskane w określonych warunkach nagrzewania, a jego wielkość zależy od metody wytopu stali i rodzaju ostatniego nagrzewania. Wielkość ziarna rzeczywistego można regulować poprzez tryby obróbki cieplnej.
Ziarno naturalne (dziedziczne) charakteryzuje się zdolnością do wzrostu austenitu. W stalach o jednakowym składzie chemicznym ziarna austenitu mogą rosnąć z różną szybkością, w zależności od właściwości stali danej wytopu. Stale dzielą się na drobnoziarniste i gruboziarniste. Stale drobnoziarniste zachowują drobne ziarno w temperaturze 950-1000°C, podczas gdy w stalach gruboziarnistych ziarno zaczyna szybko rosnąć przy nagrzewaniu nieco powyżej 800°C.
Przemiany stali podczas chłodzenia (rozpad austenitu)
Austenit jest stabilny tylko w temperaturze powyżej 723°C (punkt AG1). Przy chłodzeniu stali nagrzanej do stanu austenitu poniżej punktu Ar1, austenit traci stabilność i rozpoczyna się jego przemiana.
Kiedy eutektoidalna stal węglowa o zawartości 0,8% węgla jest powoli chłodzona, przy temperaturze linii PSK austenit przekształca się w perlit – mieszaninę ferrytu i cementytu. Proces ten podlega zasadom krystalizacji.
Badanie przemiany austenitu na perlit prowadzi się eksperymentalnie w warunkach izotermicznych, a nie przy ciągłym chłodzeniu. Próbki stali nagrzewa się do temperatury powyżej AC3, a po wytrzymaniu, co zapewnia pełne nagrzanie, szybko przenosi do kąpieli o temperaturze poniżej AC1. W ten sposób przemiana austenitu na perlit zachodzi w kąpieli.
Przy powolnym chłodzeniu austenit przekształca się w perlit. Przy wysokiej szybkości chłodzenia przechłodzony austenit przekształca się w sorbit. Przy jeszcze wyższej szybkości chłodzenia stal staje się martenzytyczna, co prowadzi do hartowania.
Krytyczna szybkość hartowania to minimalna szybkość chłodzenia, przy której austenit całkowicie przekształca się w martenzyt. Ta wartość ma istotne znaczenie w obróbce cieplnej. Aby zahartować stal, należy ją chłodzić z szybkością nie mniejszą niż krytyczna.
Produktami rozpadu austenitu są martenzyt, troostyt i sorbit.
Produkty rozpadu austenitu
Martenzyt to twardy roztwór węgla w sieci -żelaza o centrycznej tetragonalnej strukturze krystalicznej, gdzie węgiel znajduje się w centrum ściany. Martenzyt charakteryzuje się iglastą mikrostrukturą, wysoką twardością (HRC 64-65), wysoką wytrzymałością, znaczną kruchością i właściwościami magnetycznymi. Jest to struktura metastabilna, z której podczas odpuszczania wytrąca się węgiel, tworząc ziarna cementytu. W ten sposób podczas odpuszczania martenzyt przekształca się w troostyt lub sorbit odpuszczania.
Troostyt to mieszanina cementytu i ferrytu, mniej krucha i twarda niż martenzyt (HRC 40-45). Troostyt odpuszczania jest ceniony w elementach pracujących pod zmiennymi obciążeniami, takich jak sprężyny i resory.
Sorbit to mieszanina ferrytu i drobnych ziaren cementytu. Sorbit odpuszczania ma twardość HRC 30-40 i charakteryzuje się wysokim limitem sprężystości przy odpowiedniej odporności na uderzenia. Dlatego sorbit stosuje się w elementach poddawanych zmiennym obciążeniom.