1

10. Η φυσική μεταλλουργία των χαλύβων

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο χάλυβας είναι το σημαντικότερο και πιο διαδεδομένο υλικό των μηχανολογικών κατασκευών. Αυτό οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο γεγονός ότι η αλλοτροπία του σιδήρου και οι μετασχηματισμοί φάσεων στους χάλυβες επιτρέπουν τον σχηματισμό μιας μεγάλης ποικιλίας μικροδομών που οδηγεί σ’ ένα αντίστοιχα μεγάλο εύρος μηχανικών ιδιοτήτων. Στο κεφάλαιο αυτό παρουσιάζονται τα βασικά στοιχεία της φυσικής μεταλλουργίας των χαλύβων. Ο σίδηρος σχηματίζει στερεά διαλύματα παρεμβολής και αντικαταστάσεως. Ο άνθρακας είναι το σημαντικότερο στοιχείο παρεμβολής αφού η περιεκτικότητα σε άνθρακα ενός χάλυβα επηρεάζει τόσο τη θερμοδυναμική και κινητική των μετασχηματισμών όσο και τις μηχανικές ιδιότητες. Τα κραματικά στοιχεία αντικαταστάσεως συμπεριφέρονται ως σταθεροποιητές της ωστενιτικής ή της φερριτικής φάσεως ή ως καρβιδιογόνα στοιχεία. Επίσης επηρεάζουν την κινητική των μετασχηματισμών αφού απαιτείται η διάχυσή τους για την πραγματοποίηση ενός μετασχηματισμού. Η μεγαλύτερη ποικιλία μικροδομών στους χάλυβες σχηματίζεται κατά τον μετασχηματισμό του ωστενίτη όταν αυτός ψύχεται. Έτσι ανάλογα με τη θερμοκρασία μετασχηματισμού ή το ρυθμό ψύξεως είναι δυνατόν να σχηματιστεί προευτηκτοειδής φερρίτης, περλίτης, μπαινίτης ή μαρτενσίτης. Η κινητική των μετασχηματισμών αυτών αποτυπώνεται στα διαγράμματα ΙΤ και CCT. Η εμβαπτότητα ενός χάλυβα είναι η ευκολία σχηματισμού μαρτενσίτη κατά τη βαφή. Η προσθήκη κραματικών στοιχείων σ’ ένα χάλυβα αυξάνει την εμβαπτότητά του. Επειδή ο μαρτενσίτης που προκύπτει από τη βαφή είναι μεν σκληρός αλλά ταυτόχρονα ψαθυρός, την βαφή ακολουθεί μία θερμική κατεργασία που ονομάζεται επαναφορά. Με την επαναφορά προσδίδεται στον χάλυβα ολκιμότητα έναντι μικρής σχετικά μειώσεως της σκληρότητας. Σε χάλυβες που περιέχουν σημαντικό ποσοστό καρβιδιογόνων στοιχείων η δευτερογενής σκλήρυνση κατά την επαναφορά επιφέρει ένα βέλτιστο συνδυασμό σκληρότητας και δυσθραυστότητας. Η διαμόρφωση της δομής και των ιδιοτήτων των χαλύβων πραγματοποιείται με τις θερμικές κατεργασίες. Οι κυριότερες θερμικές κατεργασίες αφορούν την ανόπτηση (πλήρης και ισόθερμη ανόπτηση, αποτατική ανόπτηση, εξομάλυνση) ή την ισχυροποίηση (βαφή και επαναφορά). Με τις επιφανειακές κατεργασίες επηρεάζεται μόνον η επιφάνεια ενός μηχανολογικού στοιχείου. Οι σημαντικότερες επιφανειακές κατεργασίες είναι η επιφανειακή σκλήρυνση, η ενανθράκωση και η εναζώτωση.

Σκοπός

Με την μελέτη αυτού του κεφαλαίου θα μπορείτε • να περιγράφετε τον ρόλο των κραματικών στοιχείων στους χάλυβες • να πραγματοποιείτε απλούς υπολογισμούς ισορροπίας, π.χ. να υπολογίζετε το

ποσοστό περλίτη στους ανθρακοχάλυβες • να χρησιμοποιείτε τα διαγράμματα IT και CCT για να προσδιορίζετε την μικροδομή

ενός χάλυβα στο τέλος μιας θερμικής κατεργασίας • να διακρίνετε τους χάλυβες ως προς την εμβαπτότητά τους • να περιγράφετε τις βασικότερες θερμικές και επιφανειακές κατεργασίες των χαλύβων • να προδιαγράφετε μία θερμική κατεργασία για την διαμόρφωση συγκεκριμένης

μικροδομής και ιδιοτήτων

2

10.1 Εισαγωγή

Στα προηγούμενα κεφάλαια του βιβλίου αναπτύξαμε τις θεμελιώδεις αρχές της Φυσικής

Μεταλλουργίας. Στο παρόν κεφάλαιο θα επιχειρήσουμε την εφαρμογή αυτών των αρχών στο

σημαντικότερο τεχνολογικά μεταλλικό υλικό, που χρησιμοποιεί ο άνθρωπος, τον χάλυβα.

Σήμερα οι χάλυβες αποτελούν πάνω από το 80% των βιομηχανικών κραμάτων. Αυτό βασικά

οφείλεται τόσο στο χαμηλό τους κόστος όσο και στην σχετική ευκολία παραγωγής χαλύβων

σε μεγάλες ποσότητες με ακριβείς προδιαγραφές. Οι χάλυβες παρουσιάζουν ένα ευρύ φάσμα

μηχανικών ιδιοτήτων με αντοχές που κυμαίνονται από 200 έως και 5000ΜPα. Άλλοι

πρόσθετοι λόγοι για την υπεροχή των χαλύβων είναι οι εξής:

(α) Τα μεγάλα παγκόσμια αποθέματα μεταλλεύματος (ο φλοιός της γης περιέχει ~ 4% Fe),

που ανάγονται εύκολα στη μεταλλική κατάσταση σε συνδυασμό με τη δυνατότητα

ανακυκλώσεως του παλαιοσιδήρου (scrap).

(β) Το σημείο τήξεως του σιδήρου (1539°C) επιτρέπει τη θερμική ενεργοποίηση διεργασιών

σε θερμοκρασίες (Τ>400°C) που επιτυγχάνονται σχετικά εύκολα και ελέγχονται

βιομηχανικά.

(γ) Η αλλοτροπία του σιδήρου και οι μετασχηματισμοί φάσεων στους χάλυβες (π.χ. ο

μαρτενσιτικός μετασχηματισμός) επιτρέπουν τον σχηματισμό μιας μεγάλης ποικιλίας

μικροδομών που οδηγεί σε ένα αντίστοιχα μεγάλο εύρος μηχανικών ιδιοτήτων.

Ο χάλυβας είναι ίσως το πιο σύνθετο μεταλλικό κράμα. Η ευρεία εμπειρική γνώση που έχει

συσσωρευτεί (από το 2000π.Χ. που χρησιμοποιείται) δεν έχει οδηγήσει στην πλήρη

κατανόηση της δομής και της συμπεριφοράς του. Μόνον πρόσφατα (κατά τον 20ο αιώνα)

υπήρξε πρόοδος σε μια πιο επιστημονική προσέγγιση και ουσιαστική κατανόηση των

χαλύβων, γεγονός που αποδεικνύεται με την ανάπτυξη νέων χαλύβων (π.χ. ανοξείδωτοι και

πυρίμαχοι χάλυβες) οι οποίοι ανταποκρίνονται σε ειδικές απαιτήσεις. Στο παρόν κεφάλαιο

αναπτύσσονται τα σημαντικότερα στοιχεία της φυσικής μεταλλουργίας των χαλύβων με βάση

τις θεμελιώδεις αρχές, που συζητήσαμε στα προηγούμενα κεφάλαια. Ετσι θα ξεκινήσουμε

από την δομή των χαλύβων και συγκεκριμένα από τα στερεά διαλύματα του σιδήρου, θα

προχωρήσουμε στη μελέτη της θερμοδυναμικής - διαγράμματα φάσεων- και της διαχύσεως,

στοιχεία που θα μας βοηθήσουν στη μελέτη των μετασχηματισμών φάσεων στους χάλυβες.

Συγκεκριμένα θα δούμε πως ο ωστενίτης μετασχηματίζεται κατά την ψύξη του σε φερρίτη,

περλίτη, μπαινίτη ή μαρτενσίτη για την δημιουργία ποικιλίας μικροδομών με μεγάλο εύρος

μηχανικών ιδιοτήτων. Τέλος θα δούμε τις κυριότερες θερμικές κατεργασίες, στις οποίες

υποβάλλουμε τους χάλυβες, για να αποκτήσουν την επιθυμητή δομή και ιδιότητες.

3

10.2 Στερεά διαλύματα του σιδήρου

10.2.1 Στερεά διαλύματα παρεμβολής

Στο Κεφ.2 έχουμε συζητήσει την αλλοτροπία του σιδήρου με τον α-Fe (BCC) να κυριαρχεί

μέχρι τους 910oC, τον γ-Fe (FCC) μεταξύ 910 και 1400οC, και τον α-Fe να επανεμφανίζεται

μεταξύ 1400oC και σημείου τήξεως. Τα στοιχεία B, H, C, O, N μπορούν να καταλάβουν

θέσεις παρεμβολής στα κρυσταλλικά πλέγματα το υ α και γ-Fe σχηματίζοντας στερεά

διαλύματα παρεμβολής. Όλα τα πιο πάνω στοιχεία έχουν ατομική ακτίνα πολύ μικρότερη από

εκείνη του σιδήρου, αλλά η στερεά διαλυτότητα των στοιχείων αυτών δεν εξαρτάται μόνον

από το μέγεθός τους. Όπως είδαμε και στο Κεφ. 2 ο άνθρακας δεν καταλαμβάνει τις

τετραεδρικές θέσεις παρεμβολής αλλά τις μικρότερες οκταεδρικές θέσεις, διότι αυτή η

διάταξη οδηγεί σε συνολική μείωση των παραμορφώσεων του πλέγματος. Το στερεό διάλυμα

του α-Fe με άνθρακα ονομάζεται φερρίτης, ενώ το αντίστοιχο στερεό διάλυμα του γ-Fe με

άνθρακα, ονομάζεται ωστενίτης. Η στερεά διαλυτότητα του άνθρακα και του αζώτου στον α

και γ-Fe φαίνονται στον Πιν. 10.1. Η διαλυτότητα είναι πολύ μεγαλύτερη στον ωστενίτη απ’

ότι στον φερρίτη λόγω των μεγαλύτερων θέσεων παρεμβολής, που υπάρχουν στον ωστενίτη.

Για παράδειγμα ο ωστενίτης μπορεί να διαλύσει 2% άνθρακα ενώ ο φερρίτης μόλις 0.02%

κ.β. Οι διαφορές αυτές είναι πολύ σημαντικές στην θερμική κατεργασία των χαλύβων όπως

π.χ. η ενανθράκωση και η βαφή. Κατά την ενανθράκωση ο χάλυβας θερμαίνεται στην

ωστενιτική περιοχή (π.χ. 950°C) σε περιβάλλον πλούσιο σε άνθρακα (π.χ. σε σκόνη

γραφίτη). O άνθρακας διαχέεται στο κρυσταλλικό πλέγμα του σιδήρου (με διάχυση

παρεμβολής) εμπλουτίζοντας την επιφάνειά του. Στη συνέχεια ο χάλυβας υφίσταται βαφή

(quenching), δηλαδή από το μη ψύξη σε νερό ή λάδι. Με τη βαφή ο ωστενίτης

μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη, μία νέα φάση που θα συζητήσουμε πιο κάτω, στο

κρυσταλλικό πλέγμα του οποίου εγκλωβίζεται ο άνθρακας που είχε διαλυθεί στον ωστενίτη.

Η παρουσία μιας μεγάλης ποσότητας άνθρακα σε ένα πλέγμα που δεν μπορεί να διαλύσει

τόσο άνθρακα προκαλεί σημαντικές μη-συμμετρικές παραμορφώσεις, παρεμποδίζοντας έτσι

την ολίσθηση των αταξιών. Έτσι η σκληρότητα του χάλυβα αυξάνεται σημαντικά στην

επιφάνειά του και ο χάλυβας αποκτά αντιτριβικές ιδιότητες.

4

Πιν. 10.1 Μέγιστη στερεά διαλυτότητα C και N στον α και γ-Fe

Στοιχείο Πλέγμα Θερμοκρασία (°C) Στερεά διαλυτότητα

%κ.β. %ατ.

C α-Fe 723

20

0.025

0.00005

0.095

0.00012

C γ-Fe 1147

723

2.1

0.8

8.8

3.6

N α-Fe 590

20

0.1

0.0001

0.40

0.0004

N γ-Fe 650

590

2.8

2.35

10.3

8.75

Πηγή: R. W. K. Honeycombe, H. K. D. H. Bhadeshia, Steels: Microstructures and Properties, Edward Arnold, London, 1995

Παρόμοια τεχνική για την επιφανειακή σκλήρυνση το υ χάλυβα είναι και η εναζώτωση, η

οποία αφορά τον εμπλουτισμό της επιφάνειας του χάλυβα σε άζωτο. Η εισαγωγή αζώτου

οδηγεί στο σχηματισμό νιτριδίων του σιδήρου, τα οποία έχοντας μεγάλη σκληρότητα,

συνεισφέρουν στην αύξηση της επιφανειακής σκληρότητας του χάλυβα. Οι διεργασίες που

περιγράψαμε πιο πάνω, πραγματοποιούνται με διάχυση. Επίσης για την πραγματοποίηση των

περισσότερων μετασχηματισμών φάσεων στους χάλυβες, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η

διάχυση των κραματικών στοιχείων. Θυμίζουμε ότι τα βασικά στοιχεία της διαχύσεως στα

μέταλλα τα έχουμε συζητήσει στο Κεφ.5. Εκεί είδαμε ότι η ταχύτητα διαχύσεως αυξάνεται

εκθετικά με τη θερμοκρασία. Οι συντελεστές διαχύσεως των C και Ν στον α και γ-Fe

ακολουθούν τη σχέση

*

0 exp DHD DRT

∆= −

(10.1)

όπου *DH∆ είναι η ενέργεια ενεργοποιήσεως για διάχυση. Στον Πιν. 10.2 δίδονται οι τιμές

των D0 και *DH∆ . Παρατηρούμε ότι η ενέργεια ενεργοποιήσεως για διάχυση C και N στον α-

Fe είναι σημαντικά μικρότερη από εκείνη που απαιτείται για διάχυση στον γ-Fe. Επομένως η

διάχυση άνθρακα και αζώτου στον φερρίτη είναι ταχύτερη απ’ ότι στον ωστενίτη. Αυτό

οφείλεται στην πιο "ανοικτή" δομή του φερρίτη, που επιτρέπει ευκολότερη μετακίνηση των C

και N μεταξύ των ατόμων του σιδήρου.

5

Πιν. 10.2 Συντελεστές διαχύσεως του C και Ν στον α και γ-Fe.

Στοιχείο Πλέγμα Do (cm2/s) *DH∆ (KJ/mol)

C α-Fe 6.2x10-3 80

C γ-Fe 0.15 135

N α-Fe 3.0x10-3 76

Πηγή: F. H. Wohlbier, Materials Review Series, Vol.12, Trans. Tech. Publication, 1976

Στα υπέρκορα στερεά διαλύματα Fe-C και Fe-N ο άνθρακας και το άζωτο υφίστανται

καθίζηση σχηματίζοντας μετασταθείς φάσεις. Οι φάσεις αυτές έχουν χαμηλότερη ενέργεια

ενεργοποιήσεως για πυρήνωση από τις αντίστοιχες φάσεις ευσταθούς ισορροπίας. Έτσι αν

ένας χάλυβας που περιέχει 0.025%C (κ.β.) θερμανθεί στους 720°C και στη συνέχεια ψυχθεί

απότομα στη θερμοκρασία δωματίου, θα προκύψει φερρίτης με σημαντικό υπερκορεσμό σε

άνθρακα, αφού σε κατάσταση ισορροπίας ο φερρίτης μπορεί να διαλύσει μόνο 0.00005% κ.β.

άνθρακα σε θερμοκρασία δωματίου. Εάν ο χάλυβας αυτός θερμανθεί, θα υποστεί γήρανση

(aging) οπότε ο επιπλέον άνθρακας θα υποστεί καθίζηση με τη μορφή μετασταθών φάσεων

και ό χι με τη μο ρφή το υ γραφίτη πο υ απο τελεί τη φάση ευσταθο ύς θερμοδυναμικής

ισορροπίας. Κατά τη γήρανση σε θερμοκρασίες έως 200°C σχηματίζεται το ε-καρβίδιο με

σύσταση μεταξύ Fe2.4C και Fe3C και εξαγωνική δομή. Κατά τη γήρανση σε θερμοκρασία

μεγαλύτερη των 200°C σχηματίζεται ο σεμεντίτης με σύσταση Fe3C και ορθορομβική δομή.

Η πυρήνωση του σεμεντίτη πραγματοποιείται ετερογενώς πάνω στις διεπιφάνειες μεταξύ

φερρίτη και ε-καρβιδίων, τα οποία στη συνέχεια διαλύονται. Ο σεμεντίτης αναπτύσσεται με

τη μορφή πλακιδίων πάνω στα επίπεδα { }α110 με προτιμητέα διεύθυνση αναπτύξεως την

α111 . Παρόμοια εικόνα παρουσιάζουν τα υπέρκορα διαλύματα Fe-Ν. Με γήρανση κάτω

από τους 200°C σχηματίζεται το μετασταθές νιτρίδιο Fe16N2 (φάση α ′′ ) με δομή BCT, ενώ

πάνω από τους 200°C το νιτρίδιο αυτό αντικαθίσταται από το γ′νιτρίδιο Fe4N με τακτική

δομή FCC. Αν και η γήρανση κάτω από τους 200°C συνοδεύεται από σημαντική αύξηση της

σκληρότητας (λόγω της καθιζήσεως Fe16N2) στους εμπορικούς χάλυβες το άζωτο

συνδυάζεται με το αλουμίνιο (που προστίθεται για λόγους αποξειδώσεως) για τον

σχηματισμό AlN. Έτσι η ισχυροποίηση των χαλύβων αυτών προέρχεται κυρίως από τον

άνθρακα.

6

Το διμερές διάγραμμα φάσεων Fe-C έχει ήδη συζητηθεί στο Κεφ. 4. Το διάγραμμα του Σχ.

10.1 στην πραγματικότητα εκφράζει την ισορροπία μεταξύ σιδήρου και σεμεντίτη, αφού ο

γραφίτης δεν σχηματίζεται στους χάλυβες (με περιεκτικότητα 0.01-2%κ.β. C), παρά μόνο

στους χυτοσιδήρους (με περιεκτικότητα 2-4% κ.β. C). Η διαφορά στερεάς διαλυτότητας

μεταξύ ωστενίτη και φερρίτη αντανακλάται στη σημαντική διαφορά στην έκταση των

φασικών πεδίων α και γ. Έτσι η μέγιστη στερεά διαλυτότητα του άνθρακα στον ωστενίτη

είναι 2.1% στους 1149°C ενώ η μέγιστη στερεά διαλυτότητα του άνθρακα στον φερρίτη είναι

0.025% στους 723°C. Τα κράματα με περιεκτικότητα έως 2% άνθρακα αποκαλούνται

χάλυβες, ενώ τα κράματα με περιεκτικότητα μεγαλύτερη από 2% αποκαλούνται χυτοσίδηροι.

Στο διάγραμμα Fe-C υπάρχουν τρεις αμετάβλητες αντιδράσεις, που παρουσιάστηκαν στο

Κεφ. 4, δηλαδή η περιτηκτική, η ευτηκτική και η ευτηκτοειδής αντίδραση. Η ευτηκτική

αντίδραση έχει μεγαλύτερη σημασία στους χυτοσιδήρους (>2%C) ενώ η ευτηκτοειδής

αντίδραση επηρεάζει τόσο τους χάλυβες όσο και του χυτοσιδήρους. Τώρα θα εστιάσουμε την

προσοχή μας στην κάτω αριστερή γωνία του διαγράμματος Fe-C, που περιλαμβάνει την

ευτηκτοειδή αντίδραση (Σχ.10.2). Στο διάγραμμα αυτό υπάρχουν δύο κρίσιμες θερμοκρασίες.

Η πρώτη είναι η Α1, που είναι η θερμοκρασία της ευτηκτοειδούς αντιδράσεως, δηλαδή 723°C

(γραμμή ΒΕΔ). Η δεύτερη είναι η Α3, η θερμοκρασία μετασχηματισμού α→γ (γραμμή ΑΕ).

Οι θερμοκρασίες Α1 και Α3 προσδιορίζονται πειραματικά με θερμική ανάλυση ή

διαστολομετρία υποβάλλοντας ένα δοκίμιο χάλυβα σε θέρμανση ή ψύξη. Οι τιμές Α1 και Α3

εξαρτώνται από τους ρυθμούς θερμάνσεως και ψύξεως καθώς και από την περιεκτικότητα

του χάλυβα σε κραματικά στοιχεία. Οι χάλυβες που δεν περιέχουν κραματικά στοιχεία

αντικαταστάσεως παρά μόνον άνθρακα ονομάζονται ανθρακοχάλυβες (carbon steels).

Ανάλογα με την περιεκτικότητα τους σε άνθρακα οι χάλυβες αυτοί διακρίνονται σε

ευτηκτοειδείς (όταν %C=0.8), υποευτηκτοηδείς (όταν %C<0.8) και υπερευτηκτοειδείς (όταν

%C>0.8). Όταν ένας ευτηκτοειδής χάλυβας θερμανθεί στην ωστενιτική περιοχή και στη

συνέχεια ψυχθεί αργά, τότε η ευτηκτοειδής αντίδραση κατά την ψύξη θα τον μετατρέψει σε

100% περλίτη. Στο Σχ. 10.2 φαίνεται η ψύξη του χάλυβα από τους 900°C (σημείο Κ) στη

θερμοκρασία δωματίου. Όταν κατά τη ψύξη η θερμοκρασία φτάσει την Α1 (σημείο Ε) τότε η

ευτηκτοειδής αντίδραση

( ) ( ) CFeC%025.0C%8.0 3+α→γ (10.2)

θα μετατρέψει τον ωστενίτη σε περλίτη (P). Στο Σχ. 10.2 φαίνεται σχηματικά η απεικόνιση

της μικροδομής στα σημεία Κ1 και Κ2 σε θερμοκρασίες Α1+θ και Α1-θ αντίστοιχα1

1 Οι όροι Α1+θ και Α1-θ υποδηλώνουν θερμοκρασίες λίγο πάνω και λίγο κάτω από την Α1 αντίστοιχα.

. Ο

7

περλίτης δεν είναι φάση αλλά μίγμα φάσεων φερρίτη και σεμεντίτη. Οι φάσεις αυτές

αναπτύσσονται συνεργατικά από τον ωστενίτη σχηματίζοντας μία μικροδομή με αλληλουχία

πλακιδίων φερρίτη/σεμεντίτη (Σχ.10.3α). Στον περλιτικό μετασχηματισμό θα αναφερθούμε

με μεγαλύτερη λεπτομέρεια στη συνέχεια του κεφαλαίου. Τα ποσοστά φερρίτη και σεμεντίτη

στον περλίτη υπολογίζονται αν εφαρμόσουμε το κανόνα του μοχλού στη θερμοκρασία Α1:

6.67 0.8 88.3%6.67 0.025af

−= =

−

3

0.8 0.025 11.7%6.67 0.025Fe Cf −

= =−

Ας δούμε τώρα την αργή ψύξη ενός υποευτηκτοειδούς χάλυβα με περιεκτικότητα 0.4%C από

τους 900°C (σημείο Ζ στο Σχ. 10.2). Στο σημείο Ζ1 (Α3+θ) ο χάλυβας αποτελείται από 100%

ωστενίτη. Κατά την ψύξη κάτω από την Α3 ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε φερρίτη

( α→γ ), όπως δείχνει και η απεικόνιση της δομής στο σημείο Ζ2 (Α3-θ). Η πυρήνωση του

φερρίτη πραγματοποιείται στα σύνορα των ωστενιτικών κόκκων. Κατά την ψύξη από το

σημείο Ζ2 στο σημείο Ζ3, μέσα στην διφασική περιοχή α+γ, σχηματίζεται περισσότερος

φερρίτης, ενώ ο υπόλοιπος ωστενίτης εμπλουτίζεται διαρκώς σε άνθρακα. Ο εμπλουτισμός

αυτός ακολουθεί την γραμμή ΑΕ του διαγράμματος φάσεων και οφείλεται στην απόρριψη

του άνθρακα από τον φερρίτη προς τον ωστενίτη λόγω της μεγάλης διαφοράς στη στερεά

διαλυτότητα που συζητήσαμε πιο πάνω. Σύμφωνα με τον κανόνα του μοχλού, στη

θερμοκρασία Α1+θ (σημείο Ζ3) η μικροδομή αποτελείται από φερρίτη και ωστενίτη με

ποσοστά

0.8 0.4 51.6%0.8 0.025af

−= =

−

0.4 0.025 48.4%0.8 0.025

fγ−

= =−

Ο ωστενίτης όμως τώρα έχει αποκτήσει την ευτηκτοειδή σύσταση (0.8%C). Έτσι κατά την

ψύξη κάτω από την θερμοκρασία Α1, η ευτηκτοειδής αντίδραση μετασχηματίζει τον ωστενίτη

σε περλίτη. Έτσι στη θερμοκρασία Α1-θ (σημείο Ζ4) θα υπάρχει 51,6% φερρίτης και 48,4%

περλίτης. Η κατάσταση δεν αλλάζει σημαντικά κατά την περαιτέρω ψύξη του χάλυβα στη

θερμοκρασία δωματίου. Ο φερρίτης, που σχηματίζεται κατά την ψύξη από την θερμοκρασία

Α3 στην θερμοκρασία Α1, ονομάζεται προευτηκτοειδής φερρίτης, γιατί σχηματίζεται σε

θερμοκρασίες υψηλότερες της Α1 πριν πραγματοποιηθεί η ευτηκτοειδής αντίδραση. Έτσι οι

8

υποευτηκτοειδείς χάλυβες (με σύσταση μικρότερη από 0.8% C) αποτελούνται από

προευτηκτοειδή φερρίτη και περλίτη (Σχ.10.3β). Η δομή των χαλύβων αυτών αποκαλείται

συνήθως και φερριτοπερλιτική.

Με τον ίδιο τρόπο μπορούμε να παρακολουθήσουμε την αργή ψύξη ενός

υπερευτηκτοειδούς χάλυβα με περιεκτικότητα 1.0%C. Η ψύξη ξεκινά από τους 900°C

(σημείο Η στο Σχ. 10.2). Στο σημείο Η1 ο χάλυβας αποτελείται από 100% ωστενίτη. Κατά

την ψύξη κάτω από την γραμμή ΓΕ πραγματοποιείται καθίζηση σεμεντίτη από τον ωστενίτη

( CFe3+γ→γ ). Ο σεμεντίτης αυτός ονομάζεται προευτηκτοειδής σεμεντίτης . Η πυρήνωση

του σεμεντίτη πραγματοποιείται στα σύνορα των ωστενιτικών κόκκων, όπως δείχνει η

απεικόνιση της δομής για το σημείο Η2. Κατά την ψύξη από το σημείο Η2 προς το σημείο Η3

(θερμοκρασία Α1+θ), μέσα στη διφασική περιοχή γ+Fe3C, σχηματίζεται περισσότερος

σεμεντίτης αποσπώντας διαρκώς άνθρακα από τον ωστενίτη. Έτσι η περιεκτικότητα του

ωστενίτη σε άνθρακα μειώνεται τείνοντας προς την ευτηκτοειδή σύσταση, ακολουθώντας την

γραμμή ΓΕ του διαγράμματος φάσεων. Στη θερμοκρασία Α1+θ (σημείο Η3) η μικροδομή

αποτελείται από προευτηκτοειδή σεμεντίτη και ωστενίτη. Ο ωστενίτης έχει αποκτήσει την

ευτηκτοειδή σύσταση και έτσι η ψύξη κάτω από τη θερμοκρασία Α1 τον μετασχηματίζει σε

περλίτη μέσω της ευτηκτοειδούς αντιδράσεως. Στην θερμοκρασία Α1-θ (σημείο Η4) ο

χάλυβας αυτός περιέχει προευτηκτοειδή σεμεντίτη και περλίτη. Η κατάσταση δεν αλλάζει

σημαντικά κατά την περαιτέρω ψύξη του χάλυβα στη θερμοκρασία δωματίου. Ετσι οι

υπερευτηκτοειδείς χάλυβες, με σύσταση μεταξύ 0.8 και 2% κ.β C, αποτελούνται από

προευτηκτοειδή σεμεντίτη και περλίτη.

Σημειώνουμε ότι η ανακατανομή του άνθρακα μεταξύ των διαφόρων φάσεων κατά την ψύξη

του χάλυβα πραγματοποιείται με διάχυση. Τονίζουμε ιδιαίτερα το γεγονός ότι ο ρυθμός

ψύξεως είναι ιδιαίτερα αργός ώστε να δοθεί ο απαραίτητος χρόνος για την διάχυση. Όλοι οι

μετασχηματισμοί φάσεων, που περιγράψαμε πιο πάνω, είναι διαχυτικοί μετασχηματισμοί,

που πραγματοποιούνται με πυρήνωση και ανάπτυξη, όπως έχουμε περιγράψει στο Κεφ.6. Με

την αργή ψύξη (π. χ. ψύξη του χάλυβα μέσα στο φο ύρνο ) διατηρο ύμε τις συνθήκες

θερμοδυναμικής ισορροπίας και μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το διάγραμμα φάσεων για

υπολογισμούς ισορροπίας. Εάν η ψύξη δεν είναι αργή αλλά γρήγορη, τότε περιορίζεται η

διάχυση και πραγματοποιούνται άλλοι μετασχηματισμοί (π.χ. ο μπαινιτικός ή ο

μαρτενσιτικός), στους οποίους θα αναφερθούμε στη συνέχεια.

9

10.2.2 Στερεά διαλύματα αντικαταστάσεως

Αν και το σημαντικότερο κραματικό στοιχείο των χαλύβων είναι ο άνθρακας, τις

περισσότερες φορές προστίθενται και άλλα κραματικά στοιχεία για διάφορους λόγους. Ετσι

στους περισσότερους χάλυβες θα συναντήσουμε το Mn και το Si ή ακόμα το Cr, το Ni και το

Mo. Ο ρόλος ενός κραματικού στοιχείου είναι σύνθετος. Επηρεάζει την στερεά διαλυτότητα

των άλλων κραματικών στοιχείων, την θερμοδυναμική σταθερότητα των φάσεων, την

ταχύτητα των μετασχηματισμών και εν γένει την διαμόρφωση της μικροδομής στους

χάλυβες.

Πολλά κραματικά στοιχεία διαλύονται στο κρυσταλλικό πλέγμα του σιδήρου σχηματίζοντας

στερεά διαλύματα αντικαταστάσεως. Οι κανόνες στερεάς διαλυτότητας του Hume-Rothery

πληρούνται επαρκώς για τα μεταβατικά στοιχεία (transition elements). Έτσι υπάρχει μεγάλη

διαλυτότητα για τα στοιχεία που γειτονεύουν με τον σίδηρο στο περιοδικό σύστημα (Ni, Co,

Mn, Cr, V), περιορισμένη διαλυτότητα με το Ti και καθόλου διαλυτότητα για τα Cα και Κ.

Τα διμερή διαγράμματα φάσεων Fe-X ταξινομούνται σύμφωνα με τον Wever1

Τα κραματικά στοιχεία Ni και Mn σχηματίζουν ανοικτό ωστενιτικό πεδίο και ονομάζονται

σταθεροποιητές-γ. Σε σημαντικές περιεκτικότητες στον χάλυβα τα στοιχεία αυτά επιτρέπουν

τη διατήρηση της ωστενιτικής δομής ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου. Έτσι το νικέλιο

παίζει πρωτεύοντα ρόλο στους ωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες (austenitic stainless

steels). Για παράδειγμα ό χάλυβας 304 (ή 18Cr-8Ni), περιέχει 8%κβ Ni και έχει ωστενιτική

δομή σε θερμοκρασία δωματίου. Ετσι ο χάλυβας αυτός, εκτός του ότι είναι ανοξείδωτος,

γεγονός που το οφείλει στο χρώμιο, έχει και μεγάλη διαμορφωσιμότητα λόγω της

ωστενιτικής δομής (FCC). Το Mn από την άλλη μεριά προστίθεται σε μεγάλη περιεκτικότητα

στους χάλυβες Hatfield (μαγγανιούχοι χάλυβες με 12% Mn), που διατηρούν ωστενιτική δομή

σε θερμοκρασία δωματίου. Κατά την χρήση ο ωστενίτης μετατρέπεται σε μαρτενσίτη και έτσι

οι χάλυβες αποκτούν αντιτριβικές ιδιότητες.

σε τέσσερις

κατηγορίες (Σχ. 10.4) ανάλογα με την επίδραση των κραματικών στοιχείων στο μέγεθος του

ωστενιτικού πεδίου, το οποίο μπορεί να είναι ανοικτό (Σχ. 10.4α), εκτεταμένο (Σχ. 10.4β),

κλειστό (10.4γ) και περιορισμένο (Σχ. 10.4δ).

Τα στοιχεία παρεμβολής C και Ν, αλλά και τα στοιχεία αντικαταστάσεως Cu, Zn και Au

σχηματίζουν εκτεταμένο ωστενιτικό πεδίο το μέγεθος του οποίου περιορίζεται από τον

σχηματισμό ενδομεταλλικών ενώσεων. Ειδικότερα ο άνθρακας θα μπορούσε να θεωρηθεί

σταθεροποιητής-γ αφού σταθεροποιεί την ωστενιτική δομή.

1 P. Wever, Archiv. Eisenhüttenwesen 2, (1928) 193

10

Τα στοιχεία Si, Al, Be και Ρ αλλά και τα καρβιδιογόνα στοιχεία V, Cr, Ti, Mo και W

σταθεροποιούν την φερριτική φάση και ονομάζονται σταθεροποιητές-α. Έτσι το ωστενιτικό

πεδίο "κλείνει" σχηματίζοντας τον ωστενιτικό βρόχο (Σχ. 10.4γ). Τα στοιχεία B, Tα,Nb και Zr

περιορίζουν τον ωστενιτικό βρόχο σχηματίζοντας ενδομεταλλικές ενώσεις (Σχ. 10.4δ).

Οι παραπάνω παρατηρήσεις που ισχύουν στα διμερή συστήματα Fe-X, ισχύουν σε γενικές

γραμμές, και στα τριμερή συστήματα Fe-C-X παρουσία άνθρακα. Έτσι η προσθήκη Ni σε ένα

χάλυβα επεκτείνει ωστενιτικό πεδίο ενώ αντίθετα η προσθήκη Si το περιορίζει, επεκτείνοντας

ταυτόχρονα το φερριτικό πεδίο.

Όπως είπαμε πιο πάνω, ο ωστενίτης κατά την ψύξη του (σε συνθήκες ισορροπίας)

μετασχηματίζεται σε φερρίτη και σεμεντίτη. Κατά τον μετασχηματισμό αυτό τα κραματικά

στοιχεία ανακατανέμονται μεταξύ των φάσεων με διάχυση. Ετσι τα κραματικά στοιχεία

διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: (α) αυτά που διαλύονται μόνον στον φερρίτη, (β) αυτά που

διαλύονται στον σεμεντίτη ή σχηματίζουν καρβίδια αλλά επίσης διαλύονται στον φερρίτη και

(γ) αυτά που διαλύονται μόνον στον σεμεντίτη.

Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν τα Ni, Cu, P και Si τα οποία διαλύονται στον φερρίτη. Στη

δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα καρβιδιογόνα στοιχεία Mn, Cr, Mo, V, Ti,W και Nb. Σε

μικρές περιεκτικότητες τα στοιχεία αυτά διαλύονται στον σεμεντίτη (Μ3C) αλλά και στον

φερρίτη. Σε μεγαλύτερες περιεκτικότητες σχηματίζουν σύνθετα καρβίδια (M2C, M23C6,

M7C3, M6C) τα οποία είναι θερμοδυναμικά σταθερότερα από τον σεμεντίτη. Από τα στοιχεία

αυτά μόνο το Mn δεν σχηματίζει καρβίδιο. Εάν υπάρχει επί πλέον ποσότητα κραματικών

στοιχείων από αυτή που χρειάζεται για το σχηματισμό καρβιδίων, τότε η περίσσεια διαλύεται

στον φερρίτη μαζί με τα Si και Ni. Στην τρίτη κατηγορία ανήκει το άζωτο το οποίο

σχηματίζει καρβονιτρίδια τόσο με τον σίδηρο όσο και με άλλα κραματικά στοιχεία.

Ο Πιν. 10.3 συγκεντρώνει τις παραπάνω πληροφορίες που αφορούν την επίδραση των

κραματικών στοιχείων στην έκταση του ωστενιτικού πεδίου, τον διαφορισμό τους στο

φερρίτη ή στο καρβίδιο κατά τον μετασχηματισμό του ωστενίτη, τον σχηματισμό καρβιδίων

και νιτριδίων στους χάλυβες και την συμμετοχή τους σε σύνθετα καρβίδια.

11

Πιν. 10.3 Επίδραση κραματικών στοιχείων στο ωστενιτικό πεδίο και στο σχηματισμό

καρβιδίων και νιτριδίων

Ωστενιτικό πεδίο Διαφορισμός κατά

την CFe3+α→γ

Σχηματισμός

Καρβιδίων

Σχηματισμός

Νιτριδίων

Μικτά

Καρβίδια

Ni Ανοικτό, σταθεροποιητής-γ Φερρίτης - - -

Mn Ανοικτό, σταθεροποιητής-γ Φερ./Σεμ. - M3C, M23C6

Si Κλειστό,σταθεροποιητής-α Φερρίτης -

Al Κλειστό, σταθεροποιητής-α -

Be Κλειστό, σταθεροποιητής-α -

P Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερρίτης -

V Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερ./Σεμ./Καρβ. VCx VN M23C6

Cr Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερ./Σεμ./Καρβ. Cr23C6

Cr7C3

Cr2N M6C,M3C,

M23C6, M2C

Ti Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερ./Σεμ./Καρβ. TiC TiN

Mo Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερ./Σεμ./Καρβ. Mo2C

W Κλειστό, σταθεροποιητής-α Φερ./Σεμ./Καρβ. W2C/WC M6C,M3C,

M23C6, M2C

B Περιορισμένο - - M6C,M3C,

M23C6

Tα Περιορισμένο Σεμ./Καρβ. TαC/Tα2C TαN

Nb Περιορισμένο Φερ./Σεμ./Καρβ. NbC/Nb2C NbN

Zr Περιορισμένο ZrC ZrN M23C6

Cu Εκτεταμένο Φερρίτης -

Zn Εκτεταμένο - -

Au Εκτεταμένο - -

C Εκτεταμένο Φερ./Σεμ./Καρβ. -

N Εκτεταμένο Καρβονιτρίδια -

12

Όπως είπαμε και πιο πάνω, τα κραματικά στοιχεία διαμορφώνουν, μαζί με τις θερμικές και

μηχανικές κατεργασίες, την μικροδομή και τις ιδιότητες του χάλυβα. Πιο κάτω αναφέρονται

συνοπτικά οι κυριότερες επιδράσεις των κραματικών στοιχείων. Πρέπει να σημειωθεί ότι σε

πολλές περιπτώσεις η επιδραση ενός κραματικού στοιχείου τροποποιείται από την παρουσία

κάποιου άλλου κραματικού στοιχείου. Η αλληλεπίδραση των κραματικών στοιχείων και η

συνεργιστική τους δράση είναι ένα σύνθετο θέμα καθώς επηρεάζει τόσο την θερμοδυναμική

όσο και την κινητική των μετασχηματισμών των φάσεων στους χάλυβες. Για τον λόγο αυτό

πρέπει να επισημάνουμε ότι η μεμονωμένη περιγραφή για κάθε κραματικό στοιχείο υπόκειται

στους πιο πάνω περιορισμούς.

Ανθρακας(C): Αποτελεί το σημαντικότερο στοιχείο στους χάλυβες συμβάλλοντας σημαντικά

στην ισχυροποίησή τους. Με την αύξηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα αυξάνονται η

σκληρότητα, η αντοχή και η εμβαπτότητα, ενώ ταυτόχρονα μειώνονται η ολκιμότητα, η

δυσθραυστότητα και η συγκολλησιμότητα.

Μαγγάνιο(Mn): Συναντάται σε όλους τους χάλυβες σε περιεκτικότητες πάνω από 0.2% και

προστίθεται κυρίως για αποθείωση αφού σχηματίζει τα σουλφίδια MnS. Ο σχηματισμός των

σουλφιδίων ευνοεί την κατεργασιμότητα και την συγκολλησιμότητα του χάλυβα. Η

προσθήκη Mn οδηγεί επίσης σε σημαντική αύξηση της εμβαπτότητας του χάλυβα.

Πυρίτιο (Si): Είναι ένα από τα δύο συστατικά που προστίθενται για την αποξείδωση του

χάλυβα (το άλλο είναι το αλουμίνιο). Στους πλήρως καθησυχασμένους χάλυβες (killed steels)

το Si ανέρχεται έως το 0.6%, ενώ στους ημικαθησυχασμένους (semi-killed steels) η

περιεκτικότητα είναι μικρότερη. Υψηλές περιεκτικότητες σε Si οδηγούν σε μείωση της

κατεργασιμότητας του χάλυβα.

Φώσφορος (P): Η παρουσία του πάνω από κάποιο όριο οδηγεί σε μείωση της ολκιμότητας

και δυσθραυστότητας, ιδιαίτερα της αντοχής σε κρούση, κυρίως σε χάλυβες βαφής και

επαναφοράς. Μπορεί όμως να έχει και ευεργετικά αποτελέσματα, όπως στους χάλυβες

μηχανουργικής κατεργασίας (π.χ. free-machining steels), όπου κατά την τόρνευση ή το

φραιζάρισμα διευκολύνεται ο διαμερισμός του αποβλίττου με συνέπεια την βελτίωση της

κατεργασιμότητας.

13

Θείο (S): Προκαλεί σημαντική μείωση της ολκιμότητας, της δυσθραυστότητας, της αντοχής

σε κρούση και της συγκολλησιμότητας. Επίσης υποβαθμίζει την κατεργασιμότητα (κυρίως

στην θερμηλασία) ενώ η παρουσία του αυξάνει την τάση ρωγμάτωσης κατά την βαφή των

χαλύβων (quench cracking). Γενικά στους χάλυβες η τάση είναι η περιεκτικότητα σε θείο να

παραμένει κάτω από 0.05% (βλ. πιο πάνω για το Mn).

Χρώμιο (Cr): Πρόκειται για ισχυρά καρβιδιογόνο στοιχείο. Τα καρβίδια του χρωμίου

αυξάνουν την σκληρότητα και τις αντιτριβικές ιδιότητες του χάλυβα. Για τον λόγο αυτό το

συναντάμε στους εργαλειοχάλυβες. Το χρώμιο αυξάνει επίσης την εμβαπτότητα καθώς και

την αντοχή σε οξείδωση και διάβρωση. Σε συνδυασμό με το νικέλιο αποτελεί το

σημαντικότερο κραματικό στοιχείο των ανοξείδωτων και των πυρίμαχων χαλύβων.

Νικέλιο (Ni): Προσδίδει ολκιμότητα και αυξάνει την δυσθραυστότητα των χαλύβων ενώ

προκαλεί μείωση της θερμοκρασίας μεταβάσεως από την όλκιμη στην ψαθυρή συμπεριφορά

θραύσεως (κρυογονικοί χάλυβες). Σε περιεκτικότητες πάνω από 7% σταθεροποιεί την

ωστενιτική δομή σε θερμοκρασία δωματίου αποτελώντας ένα σημαντικό στοιχείο των

ανοξείδωτων χαλύβων (π.χ. ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες).

Μολυβδαίνιο (Mo): Πρόκειται για ισχυρά καρβιδιογόνο στοιχείο που αυξάνει ταυτόχρονα και

την εμβαπτότητα των χαλύβων. Τα καρβίδια του μολυβδαινίου σχηματίζονται κατά την

επαναφορά μετά τη βαφή και προκαλούν την δευτερογενή σκλήρυνση του χάλυβα. Η

προσθήκη Mo στους ανοξείδωτους χάλυβες οδηγεί σε περαιτέρω αύξηση της αντοχής στην

διάβρωση (π.χ. χάλυβας 316 έναντι του χάλυβα 304).

W, V, Ti, Nb: Πρόκειται για καρβιδιογόνα στοιχεία, τα οποία συντελούν στην αύξηση της

σκληρότητας και της αντοχής με τον σχηματισμό καρβιδίων ενώ ταυτόχρονα περιορίζουν την

ανάπτυξη των κόκκων σε υψηλές θερμοκρασίες. Για τους λόγους αυτούς τα συναντάμε στους

εργαλειοχάλυβες για την κατασκευή κοπτικών και διαμορφωτικών εργαλείων. Τα V, Nb και

Ti αποτελούν κύρια συστατικά των χαμηλά κραματωμένων χαλύβων υψηλής αντοχής (HSLA

steels).

Αζωτο (Ν): Το άζωτο είναι μαζί με τον άνθρακα τα κραματικά στοιχεία παρεμβολής στους

χάλυβες. Το άζωτο αυξάνει την σκληρότητα και την αντοχή ενώ παράλληλα μειώνει την

ολκιμότητα. Χρησιμοποιείται στους χάλυβες εναζωτώσεως για την αύξηση της επιφανειακής

14

σκληρότητας. Στους πήρως καθησυχασμένους χάλυβες (αποξείδωση με Al) σχηματίζει

διασπορά νιτριδίων AlN, τα οποία παρεμποδίζουν την ανάπτυξη των κόκκων.

Κοβάλτιο (Co): Το κοβάλτιο είναι το μοναδικό στοιχείο που μειώνει την εμβαπτότητα των

χαλύβων, δεν σχηματίζει καρβίδια και έχει εν γένει μικρή επίδραση στην σκληρότητα του

χάλυβα. Η κύρια δράση του είναι να παρεμποδίσει την αποκατάσταση των αταξιών και την

ανάπτυξη των κόκκων κατά την ανόπτηση ή την επαναφορά του χάλυβα. Ετσι συμβάλει στην

διατήρηση της μηχανικής αντοχής σε υψηλές θερμοκρασίες και χρησιμοποιείται σε

ταχυχάλυβες, διαμορφωτικά εργαλεία καθώς και σε πυρίμαχους χάλυβες.

10.3 Μετασχηματισμοί φάσεων και διαμόρφωση μικροδομής στους χάλυβες

10.3.1 Ισόθερμοι μετασχηματισμοί και μετασχηματισμοί συνεχούς ψύξεως

Όπως σε όλα τα μεταλλικά κράματα, έτσι και στους χάλυβες, οι μηχανικές τους ιδιότητες

εξαρτώνται από την μικροδομή τους. Στο παρόν κεφάλαιο, με τον όρο "μικροδομή" εννοούμε

κυρίως τις διαφορετικές φάσεις από τις οποίες αποτελείται ο χάλυβας. Η διαμόρφωση της

μικροδομής πραγματοποιείται μέσω μετασχηματισμών των φάσεων, που λαμβάνουν χώρα

κατά τις θερμικές κατεργασίες των χαλύβων.

Ας θεωρήσουμε, στο Σχ.10.5, ότι έχουμε τέσσερα δοκίμια ευτηκτοειδούς χάλυβα με

περιεκτικότητα 0.8%κ.β C, τα οποία θερμαίνουμε στους 800οC, για να αποκτήσουν

ωστενιτική δομή. Στη συνέχεια τα ψύχουμε με διαφορετικό τρόπο. Το πρώτο δοκίμιο το

ψύχουμε μέσα στο φούρνο, το δεύτερο το αφήνουμε να ψυχθεί πάνω στο τραπέζι, το τρίτο

δοκίμιο το βουτάμε σε λάδι και το τέταρτο δοκίμιο το βουτάμε σε νερό. Είναι προφανές ότι

από το πρώτο στο τέταρτο δοκίμιο αυξάνεται η ταχύτητα ψύξεως. Αυτό οδηγεί στο

σχηματισμό διαφορετικών μικροδομών και επομένως διαφορετικών ιδιοτήτων. Στο πρώτο

δοκίμιο σχηματίζεται χονδρόκοκκος περλίτης με σκληρότητα 15RC (μονάδες Rockwell στην

κλίμακα C). Στο δεύτερο δοκίμιο σχηματίζεται λεπτόκοκκος περλίτης με σκληρότητα 25 RC.

Στο τρίτο δοκίμιο σχηματίζεται μίγμα περλίτη και μαρτενσίτη με σκληρότητα 35 RC. Τέλος,

στο τέταρτο δοκίμιο σχηματίζεται μόνον μαρτενσίτης με σκληρότητα 60 RC.

Για να κατανοήσουμε με ποιο τρόπο μπορούμε με μία θερμική κατεργασία, όπως αυτή που

περιγράψαμε πιο πάνω, να μεταβάλλουμε την μικροδομή και κατά συνέπεια τις ιδιότητες

ενός χάλυβα, πρέπει να μελετήσουμε τους μετασχηματισμούς που διαμορφώνουν την

μικροδομή. Τις περισσότερες φορές η μικροδομή διαμορφώνεται κατά την ψύξη του χάλυβα

από την ωστενιτική περιοχή. Για τον λόγο αυτό θα μας απασχολήσουν οι μετασχηματισμοί

του ωστενίτη σε άλλες φάσεις. Στο Σχ.10.6 φαίνεται ένα απλοποιημένο διάγραμμα των

15

σημαντικότερων μετασχηματισμών του ωστενίτη σε ένα ευτηκτοειδή χάλυβα. Οι

μετασχηματισμοί αυτοί μπορεί να είναι είτε ισόθερμοι (Isothermal Transformations-ΙΤ) είτε

συνεχούς ψύξεως (Continuous Cooling Transformations-CCT). Στους ισόθερμους

μετασχηματισμούς, ο χάλυβας φέρεται σε μία χαμηλότερη θερμοκρασία και ο ωστενίτης (γ)

μετασχηματίζεται ισόθερμα σε φερρίτη (α), περλίτη (P) ή μπαινίτη (B). Το πο ια φάση θα

σχηματιστεί εξαρτάται από την θερμοκρασία του μετασχηματισμού. Όσον αφορά τον

μαρτενσίτη (M), αυτός μπορεί να σχηματιστεί μόνο με συνεχή ψύξη του ωστενίτη και αφού

ισχύουν και άλλες προϋποθέσεις, που θα δούμε στη συνέχεια. Στους μετασχηματισμούς

συνεχούς ψύξεως οι αντίστοιχοι μετασχηματισμοί του ωστενίτη πραγματοποιούνται κατά τη

διάρκεια της ψύξεως του χάλυβα και ενώ η θερμοκρασία μειώνεται διαρκώς με συγκεκριμένο

ρυθμό. Το ποια φάση θα σχηματιστεί, εξαρτάται από την ταχύτητα ψύξεως του χάλυβα. Το

διάγραμμα του Σχ.10.6 είναι, όπως είπαμε, ένα απλοποιημένο διάγραμμα. Η ακριβής

απεικόνιση των μετασχηματισμών πραγματοποιείται με τα διαγράμματα ισόθερμων

μετασχηματισμών (διαγράμματα ΙΤ) και τα διαγράμματα μετασχηματισμών συνεχούς ψύξεως

(διαγράμματα CCT). Τα διαγράμματα αυτά, τα οποία βρίσκουν ευρεία εφαρμογή στις

θερμικές κατεργασίες των χαλύβων, θα τα μελετήσουμε πιο κάτω αφού πρώτα δούμε τα

βασικά χαρακτηριστικά του σχηματισμού των διαφορετικών φάσεων (φερρίτη, περλίτη,

μπαινίτη και μαρτενσίτη) κατά την ψύξη του ωστενίτη.

10.3.2 Ο μετασχηματισμός ωστενίτη →φερρίτη (γ α→ )

Όπως είδαμε στην παράγραφο 10.2.1, κατά την αργή ψύξη ενός υποευτηκτοειδούς χάλυβα

(%C<0.8) ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε φερρίτη (προευτηκτοειδή) μεταξύ των

θερμοκρασιών Α3 και Α1. Το ίδιο συμβαίνει και όταν ο χάλυβας αυτός ψυχθεί απότομα από

την ωστενιτική περιοχή σε μια θερμοκρασία κάτω από την Α1 μέχρι τους 600°C και

παραμείνει στη θερμοκρασία αυτή για τον ισόθερμο μετασχηματισμό γ α→ . Ο

μετασχηματισμός είναι διαχυτικός και συμβαίνει με πυρήνωση και ανάπτυξη της φερριτικής

φάσεως. Η πυρήνωση του φερρίτη είναι ετερογενής με σημαντικότερες θέσεις πυρηνώσεως

τα σύνορα κόκκων του ωστενίτη ή άλλα δομικά σφάλματα της ωστενιτικής φάσεως. Η

μορφολογία του φερρίτη που σχηματίζεται εξαρτάται από τη θερμοκρασία μετασχηματισμού.

Έτσι, με τη μείωση της θερμοκρασίας μετασχηματισμού γ α→ οι μορφολογίες του φερρίτη

ταξινομούνται κατά Dube ως εξής:

(α) περικρυσταλλικός φερρίτης

(β) φερρίτης Widmanstätten

16

(γ) διακρυσταλλικός φερρίτης

Ο περικρυσταλλικός φερρίτης αποτελείται από κρυστάλλους φερρίτη που σχηματίζονται σε

υψηλές θερμοκρασίες μετασχηματισμού (800°C) με πυρήνωση στα ωστενιτικά όρια κόκκων

(Σχ. 10.7α). Ο φερρίτης αυτός αναπτύσσεται τόσο κατά μήκος των συνόρων όσο και προς το

εσωτερικό των κόκκων διαμορφώνοντας μια δομή που αποκαλείται ισοαξονικός φερρίτης

(equiaxed ferrite). Η πυρήνωση του φερρίτη υπακούει σε μία σχέση προσανατολισμού μεταξύ

μητρικής (γ) και θυγατρικής φάσεως (α), η οποία ονομάζεται σχέση προσανατολισμού

Kurdjumov-Sachs:

{ } { }111 // 110 , 110 // 111γ αγ α< > < > (10.3)

Σύμφωνα με τη σχέση αυτή, κατά τον σχηματισμό του φερρίτη, τα επίπεδα {110} του

φερρίτη είναι παράλληλα προς τα επίπεδα {111} του ωστενίτη, ενώ οι διευθύνσεις

111< > του φερρίτη είναι παράλληλες προς τις διευθύνσεις 110< > του ωστενίτη. Έτσι

υπάρχει μία στενή κρυσταλλογραφική σχέση μεταξύ των δύο φάσεων. Παρατηρούμε επίσης

ότι τα παραπάνω επίπεδα και διευθύνσεις αντιστοιχούν στα πυκνά επίπεδα και τις πυκνές

διευθύνσεις τόσο του φερρίτη όσο και του ωστενίτη. Τα διαφασικά όρια φερρίτη/ωστενίτη

είναι όρια μη συνοχής με μεγάλη κινητικότητα στις υψηλές θερμοκρασίες μετασχηματισμού.

Ο φερρίτης Widmanstätten σχηματίζεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες μετασχηματισμού με

τη μορφή πλακιδίων. Τα πλακίδια αυτά σχηματίζονται με πυρήνωση στα ωστενιτικά σύνορα

κόκκων ή πάνω σε προϋπάρχοντα περικρυσταλλικό φερρίτη και αναπτύσσονται κατά μήκος

συγκεκριμένων επιπέδων της μητρικής φάσεως (Σχ. 10.7β). Κατά την ανάπτυξή του, ο

φερρίτης Widmanstätten διατηρεί τη σχέση προσανατολισμ ού Kurdjumov-Sachs με τον

ωστενίτη. Τα διαφασικά όρια μεταξύ φερρίτη Widmanstätten και ωστενίτη είναι συνοχής ή

ημισυνοχής. Ο διακρυσταλλικός φερρίτης αποτελείται από ισοαξονικούς κρυστάλλους

φερρίτη που σχηματίζονται στο εσωτερικό των ωστενιτικών κόκκων σε χαμηλότερες

θερμοκρασίες μετασχηματισμού από εκείνες του φερρίτη Widmanstätten. Η πυρήνωση του

φερρίτη στο εσωτερικό των κόκκων οφείλεται στην αυξημένη θερμοδυναμική κινούσα

δύναμη, που ενεργοποιεί θέσεις ετερογενούς πυρηνώσεως με χαμηλότερη δυναμικότητα σε

σχέση με εκείνες των συνόρων των κόκκων.

Στα κράματα Fe-C-X (όπου X κραματικό στοιχείο αντικαταστάσεως) ο

μετασχηματισμός γ α→ παρουσιάζει τα ίδια μορφολογικά χαρακτηριστικά όπως στους

απλούς ανθρακοχάλυβες. Η κινητική όμως του μετασχηματισμού μεταβάλλεται λόγω της

παρουσίας των κραματικών στοιχείων. Εδώ διακρίνουμε δύο περιπτώσεις αναπτύξεως του

φερρίτη ανάλογα με το αν υπάρχει ή όχι διαχωρισμός των κραματικών στοιχείων μεταξύ των

17

φάσεων α και γ. Στην πρώτη περίπτωση η ταχύτητα αναπτύξεως του φερρίτη είναι πολύ αργή

και καθορίζεται από τη διάχυση των κραματικών στοιχείων στον ωστενίτη (π.χ. Mn, Νi). Στη

δεύτερη περίπτωση η ταχύτητα αναπτύξεως του φερρίτη είναι μεγαλύτερη αφού δεν υπάρχει

διάχυση των κραματικών στοιχείων (π.χ. Si, Mo, Al, Cr) στον ωστενίτη. Στην περίπτωση

αυτή, η ταχύτητα αναπτύξεως καθορίζεται μόνο από τη διάχυση του άνθρακα που είναι

ταχύτερη από αυτήν των στοιχείων αντικαταστάσεως. Στη γενική περίπτωση όμως η

ανάπτυξη του φερρίτη στα κράματα Fe-C-X είναι αργότερη από την αντίστοιχη ανάπτυξη

στους ανθρακοχάλυβες Fe-C.

10.3.3 Ο μετασχηματισμός ωστενίτη →περλίτη ( Pγ → )

Με την ψύξη του ωστενίτη κάτω από την ευτηκτοειδή θερμοκρασία (Α1) λαμβάνει χώρα ο

περλιτικός μετασχηματισμός δηλαδή ο σχηματισμός περλίτη σύμφωνα με την ευτηκτοειδή

αντίδραση: CFe3+α→γ . Μορφολογικά ο περλίτης εμφανίζει λαμελοειδή δομή που

σχηματίζεται με επαλληλία πλακιδίων ή λαμελών φερρίτη και σεμεντίτη, όπου όμως η

συνεχής φάση είναι ο φερρίτης (Σχ. 10.8). Έτσι η περλιτική δομή είναι περιοδική και

χαρακτηρίζεται από το μήκος κύματος λp (ενδολαμελική απόσταση). Η λεπτότητα της

περλιτικής δομής , επίσης χαρακτηρίζεται από το λp. Όσο πιο μικρό το λp, τόσο πιο

λεπτόκοκκος είναι ο περλίτης και τόσο μεγαλύτερη η σκληρότητά του, λόγω των πολλών

διαφασικών συνόρων που παρεμποδίζουν την ολίσθηση των γραμμοαταξιών.

Η ενδολαμελική απόσταση (λεπτότητα) της περλιτικής μικροδομής εξαρτάται από την

υπέρψυξη ΔΤ, κάτω από την θερμοκρασία Τe=Α1. Η εξάρτηση αυτή μπορεί να υπολογιστεί

από την απλουστευμένη θεώρηση ότι η κινούσα δύναμη ΔG για τον περλιτικό

μετασχηματισμό, πρέπει να είναι τουλάχιστον ίση με την αύξηση της διεπιφανειακής

ενέργειας, που οφείλεται στον σχηματισμό των νέων διεπιφανειών CFe3α . Αν επί πλέον

αγνοήσουμε την επίδραση της ενέργειας παραμορφώσεως τότε

2

e p

H TGT

γλ

∆ ⋅∆∆ = = (10.4)

όπου η πρώτη ισότητα είναι μια απλουστευμένη έκφραση της κινούσας δυνάμεως (όπως π.χ.

η σχέση 4.6) και 2 pγ λ είναι η διεπιφανειακή ενέργεια ανά μήκος κύματος λp. Από την

(10.4) προκύπτει ότι

2 1ep

TH Tγλ = ⋅∆ ∆

(10.5)

18

Η σχέση (10.5) ορίζει πως η ενδολαμελική απόσταση (λεπτότητα μικροδομής) είναι

αντιστρόφως ανάλογη της υπερψύξεως ΔΤ. Όταν ο μετασχηματισμός Pγ →

πραγματοποιείται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες, ο περλίτης που σχηματίζεται είναι

λεπτόκοκκος (έχει μικρό λp) και επομένως παρουσιάζει μεγαλύτερη σκληρότητα. Για

παράδειγμα, όταν ο περλίτης σχηματίζεται λίγο κάτω από την ευτηκτοειδή θερμοκρασία, π.χ.

στους 700οC, έχει λp ≈ 10-3 mm. Αυτό του προσδίδει μία σκληρότητα περίπου 20 RC. Όταν

ο περλίτης σχηματίζεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία,π.χ. 600οC, έχει λp ≈10-4 mm και

σκληρότητα 30 RC. Πρέπει βέβαια να σημειώσουμε ότι η δυνατότητα να επιτευχθεί πολύ

υψηλός βαθμός λεπτότητας (πολύ μικρό λp) περιορίζεται από την διαθέσιμη ελεύθερη

ενέργεια (ή ενθαλπία) για τον περλιτικό μετασχηματισμό.

Ο περλιτικός μετασχηματισμός είναι ένας διαχυτικός μετασχηματισμός, που

πραγματοποιείται με πυρήνωση και ανάπτυξη. Τα βασικά χαρακτηριστικά αυτών των

μετασχηματισμών τα συζητήσαμε στο Κεφ.6. Η πυρήνωση του περλίτη είναι ετερογενής και

πραγματοποιείται στα σύνορα των ωστενιτικών κόκκων. Κατά την ανάπτυξη του περλίτη

αυξάνεται ο αριθμός των λαμελών. Η αύξηση αυτή πραγματοποιείται είτε με πλευρική

πυρήνωση νέων λαμελών είτε με διακλάδωση αυτών που έχουν ήδη σχηματιστεί.

Η κινητική του περλιτικού μετασχηματισμού είναι δυνατόν να περιγραφεί με τις μεθόδους

που αναπτύξαμε στο Κεφ.6, παρ. 6.2.3. Η συνολική κινητική περιγράφεται από την εξίσωση

Johnson-Mehl-Avrami εάν ορίσουμε το ρυθμό πυρηνώσεως του περλίτη. Στην περίπτωση του

περλιτικού μετασχηματισμού ο ρυθμός πυρηνώσεως δεν είναι σταθερός διότι οι θέσεις

πυρηνώσεως (γωνίες κόκκων, όρια κόκκων) αναλώνονται γρήγορα από την έναρξη του

μετασχηματισμού. Στην περίπτωση αυτή το ποσοστό του περλίτη fp(t) που σχηματίζεται σε

χρόνο t δίδεται από τη σχέση (6.66):

0 3 341 exp3p vf N u tπ = − −

(10.6)

όπου 0vN είναι ο αρχικός αριθμός των θέσεων πυρηνώσεως ανά μονάδα όγκου, u η ταχύτητα

αναπτύξεως και t ο χρόνος. Η σχέση (10.6) δίδει τη γνωστή σιγμοειδή καμπύλη του

μετασχηματισμού από fp=0 έως fp=1 για ισόθερμο μετασχηματισμό (Σχ.10.9). Όσον αφορά

την επίδραση της θερμοκρασίας, η κινητική του περλιτικού μετασχηματισμού μπορεί να

χαρακτηριστεί ως κινητική τύπου C (βλ. παρ. 6.2.3) από τη μορφή της καμπύλης (T,t), που

ορίζει την έναρξη και την λήξη (και επομένως την ταχύτητα) του μετασχηματισμού σε

συνάρτηση με την θερμοκρασία. Για μικρή υπέρψυξη, έχουμε μεν γρήγορη διάχυση αλλά

μικρή κινούσα δύναμη για τον μετασχηματισμό Pγ → . Για μεγάλη υπέρψυξη, έχουμε μεν

19

μεγάλη κινούσα δύναμη αλλά αργή διάχυση, λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας. Ετσι η

μέγιστη ταχύτητα του μετασχηματισμού Pγ → εμφανίζεται σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες,

οδηγώντας στη μορφή της καμπύλης C του Σχ.10.9 Το διάγραμμα αυτό αποτελεί τη βάση των

διαγραμμάτων ισόθερμων μετασχηματισμών ΙΤ, που θα δούμε πιο κάτω.

Η ανάπτυξη του περλίτη γίνεται υπό διαχυτικό έλεγχο ενώ το ρυθμιστικό βήμα της

διεργασίας είναι η διάχυση του άνθρακα στον ωστενίτη. Ετσι στους απλούς ανθρακοχάλυβες

ο περλίτης σχηματίζεται σχετικά γρήγορα. Η προσθήκη κραματικών στοιχείων επιβραδύνει

τον μετασχηματισμό Pγ → για δύο κυρίως λόγους: (α) στοιχεία που συγκεντρώνονται στα

σύνορα των ωστενιτικών κόκκων (π.χ. το Β) επιβραδύνουν την πυρήνωση του περλίτη και (β)

στοιχεία που διαχωρίζονται στον φερρίτη και σεμεντίτη πρέπει να διαχυθούν κατά το

μετασχηματισμό (π.χ Mn, Cr). Η διάχυση των στοιχείων αντικαταστάσεως είναι πολύ πιο

αργή από τη διάχυση του άνθρακα και έτσι ο σχηματισμός περλίτη επιβραδύνεται. Το

ρυθμιστικό βήμα στην περίπτωση αυτή είναι η διάχυση των στοιχείων αντικαταστάσεως. Θα

δούμε πιο κάτω ότι ένας από τους ρόλους των κραματικών στοιχείων στους χάλυβες είναι να

καθυστερήσουν τον περλιτικό μετασχηματισμό, ούτως ώστε να λάβει χώρα ένας άλλος

μετασχηματισμός, που οδηγεί σε πολύ μεγαλύτερη ισχυροποίηση των χαλύβων, ο

μαρτενσιτικός μετασχηματισμός.

Όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες του περλίτη μπορούμε να πούμε ότι η μηχανική του

αντοχή αυξάνεται με τη μείωση της ενδολαμελικής αποστάσεως λp της περλιτικής δομής. Η

αύξηση του ποσοστού του περλίτη στους χάλυβες οδηγεί σε αύξηση τόσο του ορίου διαρροής

(σy) όσο και της μέγιστης αντοχής εφελκυσμού (σUTS). Η τελευταία επηρεάζεται περισσότερο

από τον περλίτη λόγω της μεγαλύτερης δυνατότητας για εργοσκλήρυνση της περλιτικής

δομής έναντι της φερριτικής. Όμως η παρουσία του περλίτη οδηγεί σε μείωση της

ολκιμότητας και της δυσθραυστότητας αφού οι διεπιφάνειες CFe3α λειτουργούν ως θέσεις

για πυρήνωση ρωγμών ενώ παράλληλα η αυξημένη εργοσκλήρυνση περιορίζει την πλαστική

παραμόρφωση στην αιχμή των ρωγμών. Έτσι στους απλούς ανθρακοχάλυβες, η αύξηση του

άνθρακα (αύξηση του ποσοστού του περλίτη) οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας

μεταβάσεως από την όλκιμη στην ψαθυρή θραύση (Σχ. 10.10).

10.3.4 Ο μετασχηματισμός ωστενίτη→ μαρτενσίτη (γ→Μ)

20

Όπως είδαμε και πιο πάνω, στο παράδειγμα του Σχ.10.5, η μέγιστη αύξηση της σκληρότητας

επιτεύχθηκε με την από το μη ψύξη το υ χάλυβα σε νερό . Η σημαντική αυτή σκλήρυνση

οφείλεται στον σχηματισμό μαρτενσίτη. Πράγματι, ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι

ίσως ο σημαντικότερος μετασχηματισμός στους χάλυβες, με μεγάλες τεχνολογικές

εφαρμογές. Τα θεμελιώδη χαρακτηριστικά του μετασχηματισμού τα συζητήσαμε με

λεπτομέρεια στο κεφ. 6.4. Εδώ θα εστιάσουμε στα κύρια σημεία και θα συζητήσουμε τις

ιδιότητες του μαρτενσίτη και κυρίως τους λόγους για τους οποίους ο μαρτενσίτης έχει τόσο

μεγάλη σκληρότητα.

Γενικά χαρακτηριστικά. Σύμφωνα με τα όσα συζητήσαμε στο κεφ. 6.4 τα βασικά

χαρακτηριστικά του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού είναι τα εξής:

Ο μετασχηματισμός αυτός είναι μετατοπιστικός, δηλαδή πραγματοποιείται με συνεργατική

μετατόπιση των όλων των ατόμων του πλέγματος, έτσι ώστε να διατηρείται πλήρης

αντιστοιχία μεταξύ αρχικών και τελικών πλεγματικών θέσεων.

Ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι μη-διαχυτικός, αφού δεν προϋποθέτει διάχυση για

την πραγματοποίησή του. Στην ουσία ο μαρτενσίτης σχηματίζεται με διάτμηση της μητρικής

φάσεως (ωστενίτη). Η κινητική του μετασχηματισμού και μορφολογία του μαρτενσίτη

καθορίζονται από την ενέργεια παραμορφώσεως, η οποία, όπως είπαμε, χαρακτηρίζεται από

μία ισχυρή διατμητική συνιστώσα.

Ο μετασχηματισμός πραγματοποιείται κατά την απότομη ψύξη του ωστενίτη. Η διαδικασία

αυτή ονομάζεται βαφή των χαλύβων (quenching). Η ταχύτητα της βαφής πρέπει να είναι

αρκετά μεγάλη (πάνω από μια κρίσιμη τιμή) ώστε να μην προλάβουν να ενεργοποιηθούν

άλλοι διαχυτικοί μετασχηματισμοί (π.χ. σχηματισμός φερρίτη, περλίτη ή μπαινίτη). Η

κρίσιμη ταχύτητα ψύξεως εξαρτάται από την περιεκτικότητα του χάλυβα σε κραματικά

στοιχεία και από το μέγεθος του ωστενιτικού κόκκου και χαρακτηρίζει την εμβαπτότητα του

χάλυβα, μία ιδιότητα που θα συζητήσουμε πιο κάτω.

Ο μετασχηματισμός είναι γενικά αθερμικός, το ποσοστό του μαρτενσίτη δεν αυξάνεται με το

χρόνο, αλλά αυξάνεται με την πτώση της θερμοκρασίας κατά την ψύξη σε μία συγκεκριμένη

θερμοκρασιακή περιοχή που καθορίζεται από τις θερμοκρασίες Ms και Mf , που αντιστοιχούν

στην έναρξη και την λήξη του μετασχηματισμού (Σχ. 10.11).

Η πυρήνωση του μαρτενσίτη είναι ετερογενής και πραγματοποιείται σε δομικά σφάλματα

(π.χ. συστοιχίες αταξιών) του ωστενίτη. Για να ξεκινήσει ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός,

η θερμοκρασία πρέπει να πέσει κάτω από μία κρίσιμη τιμή, την Ms, όπου η κινούσα δύναμη

για τον μετασχηματισμό αποκτά την απαιτούμενη τιμή για την υπέρβαση του ενεργειακού

φράγματος για την πυρήνωση.

21

Η θερμοκρασία Ms έχει μία ισχυρή εξάρτηση από τη χημική σύσταση του χάλυβα. Τα

στοιχεία που είναι σταθεροποιητές-γ, όπως τα C, N, Ni, Mn, μειώνουν την θερμοκρασία Ms,

αφού απαιτείται μεγαλύτερη χημική κινούσα δύναμη για την πυρήνωση του μαρτενσίτη.

Όμως και τα στοιχεία Cr, Mo, Al, Si, W, V που δεν είναι σταθεροποιητές -γ προκαλούν

μείωση στη θερμοκρασία Ms. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι προκαλούν ισχυροποίηση

στερεού διαλύματος στον ωστενίτη με αποτέλεσμα να παρεμποδίζεται η ολίσθηση των

αταξιών που απαιτείται για τον σχηματισμό του μαρτενσιτικού πυρήνα. Έτσι για την

υπέρβαση αυτής της αντιστάσεως απαιτείται μεγαλύτερη χημική κινούσα δύναμη και

επομένως η Ms μειώνεται. Την μεγαλύτερη επίδραση στη θερμοκρασία Ms την έχει ο

άνθρακας. Η σχετική επίδραση των κραματικών στοιχείων στη θερμοκρασία Ms δίδεται από

διάφορες εμπειρικές σχέσεις, με γνωστότερη την σχέση του Andrews :

Μs(°C) = 539-463C-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo (10.7)

όπου στα χημικά σύμβολά αντιστοιχούν οι % κ.β. περιεκτικότητες των στοιχείων στον

χάλυβα. Η θερμοκρασία Ms κυμαίνεται από πολύ υψηλές (π.χ. 500°C) έως πολύ χαμηλές

τιμές, ακόμα και κάτω από τη θερμοκρασία δωματίου.

Η θερμοκρασία Mf αντιστοιχεί στη θερμοκρασία όπου σταματά ο μαρτενσιτικός

μετασχηματισμός και δεν συμπίπτει πάντα με την ολοκλήρωση του μετασχηματισμού. Πολύ

συχνά ένα ποσοστό του ωστενίτη δεν μετασχηματίζεται και ονομάζεται παραμένων ωστενίτης

(retained austenite). Μία εξήγηση για την παρουσία παραμένοντα ωστενίτη σε χάλυβες με Mf

μεγαλύτερη από τη θερμοκρασία δωματίου αποτελεί η εργοσκλήρυνση του ωστενίτη λόγω

της παραμορφώσεως, που υφίσταται κατά τον μετασχηματισμό (μηχανική σταθεροποίηση

του ωστενίτη). Σε υψηλά κραματωμένους χάλυβες (π.χ. με υψηλό νικέλιο) η θερμοκρασία Mf

είναι αρκετά χαμηλότερα από τους 0°C και έτσι το ποσοστό του παραμένοντα ωστενίτη είναι

μεγαλύτερο.

Κρυσταλλογραφία και μορφολογία: Όπως αναφέραμε και στην παράγραφο 6.4.2, η

παραμόρφωση μορφής, S, που συνοδεύει τον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό αποτελείται από

τρεις συνιστώσες B, R και L έτσι ώστε:

S BRL= (10.8)

Η παραμόρφωση Bain, B, είναι η συνιστώσα της ομογενούς παραμορφώσεως πλέγματος που

μετατρέπει το πλέγμα FCC σε BCT και περιλαμβάνει την ακριβή αντιστοιχία των

πλεγματικών θέσεων μεταξύ ωστενιτικής και μαρτενσιτικής φάσεως (Σχ. 6.27). Η ομογενής

παραμόρφωση πλέγματος συμπληρώνεται από την περιστροφή στερεού σώματος R και

προκύπτει από την σύζευξη της μετασχηματιζόμενης περιοχής με την ωστενιτική φάση. Η

ομογενής παραμόρφωση πλέγματος BR προκαλεί τη συσσώρευση μιας σημαντικής ενέργειας

22

παραμορφώσεως, η οποία, όπως έχουμε ήδη αναφέρει, επιδρά σημαντικά στην κινητική και

την μορφολογία του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού. Η χαλάρωση της ενέργειας

παραμορφώσεως πραγματοποιείται με μια συμπληρωματική παραμόρφωση, η οποία σε

κάποιο βαθμό αναιρεί μέρος της ομογενούς παραμορφώσεως πλέγματος. Η συμπληρωματική

αυτή παραμόρφωση L, είναι ανομοιογενής και ονομάζεται παραμόρφωση αμετάβλητου

πλέγματος διότι δεν μεταβάλλει την κρυσταλλική δομή. Η παραμόρφωση αυτή

πραγματοποιείται με ολίσθηση αταξιών ή με σχηματισμό διδυμιών στον μαρτενσιτικό

κρύσταλλο (Σχ. 10.12), ανάλογα με την περιεκτικότητα σε άνθρακα. Η συνολική

παραμόρφωση μορφής S, έχει χαρακτηριστικά παραμορφώσεως αμετάβλητου επιπέδου (IPS)

όπως έχουμε ήδη αναφέρει στην παράγραφο 6.4.2. Το πάγιο επίπεδο (habit plane), δηλαδή η

διεπιφάνεια μαρτενσιτικής/ ωστενιτικής φάσεως, δεν παραμορφώνεται και δεν περιστρέφεται

κατά τον μετασχηματισμό. Η παραμόρφωση μορφής S με χαρακτηριστικά IPS έχει δύο

συνιστώσες, μία διατμητική γο, παράλληλη στο πάγιο επίπεδο και μία ορθή εο κάθετη σε

αυτό. Τυπικές τιμές στους ανθρακοχάλυβες είναι γο = 0.20 και εο = 0.04. Η συνιστώσα γο

αντιστοιχεί στον διατμητικό χαρακτήρα του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού, ενώ η ορθή

συνιστώσα εο αντιστοιχεί στην διόγκωση που συνοδεύει τον μετασχηματισμό.

Στους χάλυβες το πάγιο επίπεδο και η σχέση προσανατολισμού μεταξύ ωστενιτικής και

μαρτενσιτικής φάσεως δεν είναι σταθερά αλλά εξαρτώνται από την περιεκτικότητα σε

άνθρακα. Έτσι σε χάλυβες με χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα το πάγιο επίπεδο είναι το

{111}γ , για 0.5-1.4%κ.β. C το πάγιο επίπεδο είναι το {225}γ ενώ για υψηλές περιεκτικότητες

σε άνθρακα (πάνω από 1.4% C) το πάγιο επίπεδο είναι{259}γ . Όταν το πάγιο επίπεδο είναι

το {111}γ ή το {225}γ τότε η σχέση προσανατολισμού μεταξύ των πλεγμάτων της ωστενιτικής

και μαρτενσιτικής φάσεως είναι κατά Kurdjumov και Sachs:

{ } { }111 // 110Mγ

και 101 // 111Mγ

(10.9)

ενώ όταν το πάγιο επίπεδο είναι το {259}γ τότε η σχέση προσανατολισμού είναι κατά

Greninger και Troiano:

{ } { }111 // 110Mγ

και 112 // 110Mγ

(10.10)

Η μορφολογία της μαρτενσιτικής φάσεως εξαρτάται από την περιεκτικότητα σε άνθρακα.

Έτσι για περιεκτικότητα κάτω από 0.4% κ.β. C ο μαρτενσίτης έχει βελονοειδή μορφή (lath

martensite) όπως στο Σχ. 10.13α, ενώ για περιεκτικότητες πάνω από 0.6% κ.β. C ο

μαρτενσίτης έχει τη μορφή πλακιδίων (plate martensite) όπως στο Σχ. 10.13β. Για

23

περιεκτικότητες μεταξύ 0.4 και 0.6% ο μαρτενσίτης σχηματίζεται με μικτή μορφολογία

(βελόνες και πλακίδια).

Μηχανισμοί ισχυροποιήσεως του μαρτενσίτη: Ο σχηματισμός του μαρτενσίτη στους

χάλυβες προκαλεί δραματική αύξηση της σκληρότητας, γεγονός, που δεν παρατηρείται σε

μαρτενσιτικούς μετασχηματισμούς άλλων κραματικών συστημάτων. Οπωσδήποτε η

σκληρότητα του μαρτενσίτη στους χάλυβες οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στην παρουσία του

άνθρακα, σε θέσεις παρεμβολής στο κρυσταλλικό πλέγμα του μαρτενσίτη που είναι

τετραγωνικό χωροκεντρομένο (BCT). Η τετραγωνικότητα οφείλεται στις παραμορφώσεις που

προκαλεί η κατάληψη των οκταεδρικών θέσεων από τον άνθρακα στο BCT και εκφράζεται

με το λόγο c/α των ακμών της τετραγωνικής κυψελίδας (Σχ. 6.27), ο οποίος εξαρτάται από

την περιεκτικότητα σε άνθρακα:

c/α = 1+0.045 (% κ.β. C) (10.11)

Εφόσον ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι μη διαχυτικός θα πρέπει να δεχθούμε ότι ο

άνθρακας καταλαμβάνει τις ίδιες θέσεις παρεμβολής στον ωστενίτη και στον μαρτενσίτη. Η

κατάληψη των οκταεδρικών θέσεων παρεμβολής στο FCC πλέγμα του ωστενίτη προκαλεί

συμμετρικές παραμορφώσεις που οδηγούν σε περιορισμένη μόνο ισχυροποίηση στερεού

διαλύματος. Αντίθετα, η κατάληψη των ίδιων θέσεων στο BCT πλέγμα του μαρτενσίτη

προκαλεί μη-συμμετρικές (τετραγωνικές) παραμορφώσεις που οδηγούν σε σημαντικότατη

ισχυροποίηση στερεού διαλύματος. Στο Σχ. 10.14 φαίνεται η διαφορά σκληρότητας μεταξύ

μαρτενσίτη και ωστενίτη σαν συνάρτηση της περιεκτικότητας σε άνθρακα. Στη συγκεκριμένη

περίπτωση ο ωστενίτης έχει διατηρηθεί σε θερμοκρασία δωματίου με τη προσθήκη νικελίου.

Η ισχυροποίηση στερεού διαλύματος (Δτ), που οφείλεται στον άνθρακα μπορεί να

υπολογιστεί από τη σχέση (8.53) 3 2 1 2

Ck Xτ ζ∆ = (10.12)

όπου ζ ο παράγοντας τετραγωνικότητας

11 22ζ ε ε= − (10.13)

που εκφράζει τις μη-συμμετρικές τετραγωνικές παραμορφώσεις, που δημιουργεί το άτομο

του άνθρακα σε οκταεδρική θέση παρεμβολής στο BCT, ΧC το ατομικό κλάσμα των ατόμων

άνθρακα και k μία σταθερά.

Εκτός από την ισχυροποίηση στερεού διαλύματος υπάρχουν και άλλοι μηχανισμοί

ισχυροποιήσεως που συνεισφέρουν στη συνολική αντοχή του μαρτενσίτη. Η παρουσία

πολλών συνόρων και διεπιφανειών στη μικροδομή του μαρτενσίτη παρεμποδίζει την

ολίσθηση των αταξιών και οδηγεί στην εξάρτηση της αντοχής από το μέγεθος του

24

ωστενιτικού κόκκου σύμφωνα με τη σχέση Hall-Petch (σχέση 8.57), ή από το μέγεθος των

βελόνων και των πλακιδίων του μαρτενσίτη. Αν και τα σύνορα μεταξύ των βελόνων είναι

σύνορα μικρής γωνίας, παρεμποδίζουν την ολίσθηση των αταξιών συνεισφέροντας έτσι στη

διαμόρφωση της συνολικής αντοχής του μαρτενσίτη.

10.3.5 Ο μετασχηματισμός ωστενίτη→ μπαινίτη (γ→Β)

Στις προηγούμενες παραγράφους είδαμε ότι, στους ανθρακοχάλυβες, ο ωστενίτης κατά την

ψύξη του μετασχηματίζεται είτε σε προευτηκτοειδή φερρίτη και περλίτη (σε υψηλές

θερμοκρασίες) είτε σε μαρτενσίτη (σε χαμηλές θερμοκρασίες). Υπάρχει μια θερμοκρασιακή

περιοχή μεταξύ των 500οC και της Μs, όπου δεν εμφανίζεται καμία από τις πιο πάνω φάσεις

αλλά αντίθετα σχηματίζεται μια νέα δομή που αποτελείται από λεπτά πλακίδια φερρίτη

καθώς και σωματίδια καρβιδίου (κυρίως σεμεντίτη). Η δομή αυτή ονομάζεται Μπαινίτης

(Bainite) προς τιμήν του E. C. Bain που πρώτος την ανακάλυψε.

Ο μπαινιτικός μετασχηματισμός παρουσιάζει σημαντικές δυσκολίες στη μελέτη του διότι τις

περισσότερες φορές, ειδικότερα στους ανθρακοχάλυβες, υπάρχει επικάλυψη με τον περλιτικό

μετασχηματισμό. Όμως με την προσθήκη κραματικών στοιχείων, οι δύο μετασχηματισμοί

διαχωρίζονται θερμοκρασιακά. Ένας άλλος παράγοντας που δυσκολεύει την μελέτη του

μπαινιτικού μετασχηματισμού είναι η διπλή του φύση, συνδυάζει δηλαδή χαρακτηριστικά

τόσο διαχυτικών μετασχηματισμών με πυρήνωση και ανάπτυξη όσο και μαρτενσιτικών

μετασχηματισμών.

Ο μπαινίτης, όπως και ο περλίτης, είναι μίγμα φάσεων φερρίτη (μπαινιτικού φερρίτη) και

καρβιδίου. Αυτό σημαίνει ότι κατά τον μετασχηματισμό, ο άνθρακας κατανέμεται

διαφορετικά στις δύο φάσεις, γεγονός που απαιτεί διάχυση του άνθρακα. Στο σημείο αυτό ο

μπαινιτικός μετασχηματισμός διαφέρει από τον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό. Μία ακόμα

διαφορά είναι ότι ο μπαινιτικός μετασχηματισμός δεν είναι αθερμικός. Όταν

πραγματοποιείται ισόθερμα, το ποσοστό του μπαινίτη που σχηματίζεται εξαρτάται από τον

χρόνο και η κινητική του μετασχηματισμού ακολουθεί, σε γενικές γραμμές, την κινητική

Johnson-Mehl-Avrami σύμφωνα με την σχέση (10.6), όπως και στον περλίτη. Υπάρχουν

όμως και ομοιότητες με τον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό. Ο μπαινιτικός φερρίτης

αναπτύσσεται σε πλακίδια και παρουσιάζει την χαρακτηριστική βελονοειδή μορφή του

μαρτενσίτη. Μάλιστα η παραμόρφωση της επιφάνειας ενός δοκιμίου που υφίσταται

μπαινιτικό μετασχηματισμό μαρτυρά σημαντικές διατμητικές παραμορφώσεις του πλέγματος,

όπως και στον μαρτενσιτικό μετασχηματισμό. Βέβαια πρέπει να τονίσουμε ότι η ανάπτυξη

25

των μπαινιτικών πλακιδίων είναι πολύ πιο αργή από αυτή των μαρτενσιτικών, λόγω του

χρόνου που απαιτείται για να πραγματοποιηθεί η διάχυση του άνθρακα.

Ανάλογα με τη θερμοκρασία σχηματισμού διακρίνουμε τον μπαινίτη σε άνω μπαινίτη (upper

bainite), που πραγματοποιείται μεταξύ 400 και 500°C, και κάτω μπαινίτη (lower bainite), που

πραγματοποιείται μεταξύ 250 και 400°C.

Άνω μπαινίτης: Η δομή αυτή σχηματίζεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο (Σχ.10.15α),

πραγματοποιείται η πυρήνωση και ανάπτυξη λεπτών πλακιδίων μπαινιτικού φερρίτη (αΒ), με

παράλληλο εμπλουτισμό του ωστενίτη σε άνθρακα, αφού η στερεά διαλυτότητα του άνθρακα

στον φερρίτη είναι πολύ μικρή. Στο δεύτερο στάδιο ο εμπλουτισμός του ωστενίτη σε

άνθρακα οδηγεί στην καθίζηση σεμεντίτη μεταξύ των πλακιδίων του φερρίτη (Σχ. 10.15β). Η

μορφολογία του σεμεντίτη εξαρτάται από την περιεκτικότητα του χάλυβα σε άνθρακα. Σε

χάλυβες με υψηλό ποσοστό άνθρακα ο σεμεντίτης σχηματίζει συνεχείς λωρίδες που

διαχωρίζουν τα πλακίδια του φερρίτη. Όταν όμως η περιεκτικότητα σε άνθρακα είναι

χαμηλή, τότε σχηματίζονται μικρά σωματίδια σεμεντίτη. Ο άνω μπαινίτης αναπτύσσεται σε

ομάδες παράλληλων πλακιδίων (Σχ. 10.15γ) που ονομάζονται μπαινιτικές δεσμίδες (bainite

sheaves). Στο Σχ.10.15δ απεικονίζεται μεταλλογραφία άνω μπαινίτη. Η ανάπτυξη των

πλακιδίων του μπαινιτικού φερρίτη έχει πολλά κοινά χαρακτηριστικά με τον μαρτενσιτικό

μετασχηματισμό. Και εδώ ο σχηματισμός του φερρίτη πραγματοποιείται με συνεργατική

κίνηση ατόμων (μετατοπιστικός μετασχηματισμός) ενώ η παραμόρφωση μορφής έχει μεγάλη

διατμητική συνιστώσα και παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά της παραμορφώσεως

αμετάβλητου επιπέδου IPS. Η χαλάρωση των μεγάλων παραμορφώσεων που αναπτύσσονται

γίνεται με πλαστική παραμόρφωση του ωστενίτη, του οποίου η αντοχή είναι χαμηλή στις

υψηλές θερμοκρασίες μετασχηματισμού. Λόγω της πλαστικής παραμορφώσεως, η πυκνότητα

αταξιών στον ωστενίτη αυξάνεται με αποτέλεσμα να παρεμποδίζεται η μετακίνηση των

ολισθήσιμων διεπιφανειών μπαινιτικού φερρίτη/ωστενίτη και να σταματά η ανάπτυξη των

πλακιδίων. Έτσι κάθε μπαινιτική δεσμίδα έχει περιορισμένο μέγεθος αρκετά μικρότερο από

το μέγεθος του ωστενιτικού κόκκου. Η σχέση προσανατολισμού μεταξύ μπαινιτικού φερρίτη

(αΒ) και ωστενίτη (γ) είναι κατά Kurdjumov-Sachs

{ } { }111 // 110Bγ α, 110 // 111γ αΒ< > < > (10.14)

ενώ η σχέση προσανατολισμού μεταξύ σεμεντίτη και ωστενίτη είναι κατά Pitsch

3

[001] //[225]Fe C γ (10.15α)

3

[010] //[110]Fe C γ (10.15β)

26

3

[100] //[554]Fe C γ (10.15γ)

Στους χάλυβες παρατηρούνται και οι τρεις παραπάνω εναλλακτικοί προσανατολισμοί για την

ανάπτυξη του σεμεντίτη στον άνω μπαινίτη. Στους κραματωμένους χάλυβες, ο σίδηρος και τα

στοιχεία αντικαταστάσεως (Mn, Si, Mo, Ni) δεν διαχέονται κατά τον μπαινιτικό

μετασχηματισμό. Με σημαντική προσθήκη Si ή Al στον χάλυβα είναι δυνατόν να ανασταλεί

η καθίζηση σεμεντίτη και η μπαινιτική μικροδομή αποτελείται έτσι μόνο από μπαινιτικό

φερρίτη και παραμένοντα ωστενίτη εμπλουτισμένο σε άνθρακα.

Κάτω μπαινίτης: Ο κάτω μπαινίτης σχηματίζεται σε χαμηλότερες θερμοκρασίες (250-

400°C) και έχει κοινά μορφολογικά χαρακτηριστικά με τον άνω μπαινίτη. Η σημαντικότερη

διαφορά είναι ότι κατά την ανάπτυξη του φερρίτη, εκτός από τον εμπλουτισμό του ωστενίτη

σε άνθρακα, λαμβάνει χώρα και καθίζηση σεμεντίτη μέσα στον φερρίτη. Έτσι στον κάτω

μπαινίτη σχηματίζεται σεμεντίτης τόσο μέσα στα πλακίδια του μπαινιτικού φερρίτη όσο και

μεταξύ των πλακιδίων αυτών με απ’ ευθείας καθίζηση από τον ωστενίτη.

Η σχέση προσανατολισμού μεταξύ σεμεντίτη και μπαινιτικού φερρίτη είναι σε τρεις

παραλλαγές κατά Bagaryatski:

3

[001] //[101]Fe C αΒ (10.16α)

3

[100] //[111]Fe C αΒ (10.16β)

3

[010] //[121]Fe C αΒ (10.16γ)

Λόγω της καθιζήσεως του σεμεντίτη στον μπαινιτικό φερρίτη ο εμπλουτισμός του ωστενίτη

σε άνθρακα είναι μικρότερος με αποτέλεσμα να σχηματίζονται μικρότερα σωματίδια

σεμεντίτη μεταξύ των φερριτικών πλακιδίων. Γενικά η διασπορά των καρβιδίων είναι

λεπτότερη στον κάτω μπαινίτη και το γεγονός αυτό εξηγεί την μεγαλύτερη ολκιμότητα του

κάτω μπαινίτη σε σχέση μ’ αυτήν το υ άνω μπαινίτη. Στο υς χάλυβες πο υ περιέχο υν υψηλό

ποσοστό Si (π.χ. 1% κ.β.) αναστέλλεται η καθίζηση σεμεντίτη στον μπαινιτικό φερρίτη. Αντ’

αυτού σχηματίζεται ε-καρβίδιο. Το ίδιο συμβαίνει και στους κραματωμένους χάλυβες όπου

σχηματίζεται ε-καρβίδιο ή άλλα σύνθετα καρβίδια με τη συμμετοχή των στοιχείων

αντικαταστάσεως.

27

10.4 Διαγράμματα ΙΤ, CCT και εμβαπτότητα των χαλύβων

Από την μελέτη των μετασχηματισμών που περιγράψαμε στις προηγούμενες

παραγράφους, γίνεται φανερό ότι η μικροδομή των χαλύβων διαμορφώνεται σε μεγάλο

βαθμό από τις συνθήκες κάτω από τις οποίες πραγματοποιείται ο μετασχηματισμός του

ωστενίτη. Η ωστενιτική φάση μπορεί να μετασχηματιστεί είτε ισόθερμα (μετά από ψύξη σε

κάποια θερμοκρασία) είτε με συνεχή ψύξη από τη θερμοκρασία ωστενιτοποιήσεως. Έτσι

είδαμε ότι ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε περλίτη όταν η θερμοκρασία μετασχηματισμού

είναι υψηλή ή η ταχύτητα ψύξεως αργή. Σε χαμηλές θερμο κρασίες ή γρήγο ρο υς ρυθμο ύς

ψύξεως ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη, ενώ σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες και

ρυθμούς ψύξεως σχηματίζεται μπαινίτης. Η κινητική των μετασχηματισμών αυτών είναι

δυνατόν να αποτυπωθεί είτε στα διαγράμματα ισόθερμων μετασχηματισμών ΙΤ (Isothermal

Transformation) είτε στα διαγράμματα μετασχηματισμών συνεχούς ψύξεως CCT (Continuous

Cooling Transformation).

10.4.1 Διαγράμματα ΙΤ

Θα ξεκινήσουμε με τα διαγράμματα ισόθερμων μετασχηματισμών (ΙΤ). Το διάγραμμα ΙΤ για

ένα ευτηκτοειδή χάλυβα απεικονίζεται στο Σχ.10.16 Ο κάθετος άξονας είναι η θερμοκρασία

σε βαθμούς Κελσίου και ο οριζόντιος άξονας είναι ο χρόνος σε sec (σε λογαριθμική

κλίμακα). Οι δύο καμπύλες σχήματος C αντιστοιχούν στην έναρξη και την λήξη αντίστοιχα

του μετασχηματισμού του ωστενίτη. Η ενδιάμεση διακεκομμένη γραμμή αντιστοιχεί στο 50%

του μετασχηματισμού του ωστενίτη. Η καμπύλη που αντιστοιχεί στην έναρξη του

σχηματισμού περλίτη προσεγγίζει ασυμπτωτικά, σε μεγάλους χρόνους, την οριζόντια

διακεκομμένη γραμμή, που αντιστοιχεί στην ευτηκτοειδή θερμοκρασία. Το τμήμα της

καμπύλης ενάρξεως μεταξύ 600 και 500oC, ονομάζεται περλιτική μύτη. Την σημασία της

περλιτικής μύτης θα την δούμε πιο κάτω. Το σχήμα των καμπυλών είναι χαρακτηριστικό της

κινητικής τύπου C των διαχυτικών μετασχηματισμών με πυρήνωση και ανάπτυξη. Οι δύο

οριζόντιες γραμμές αντιστοιχούν στις θερμοκρασίες Μs και Mf αντίστοιχα, δηλαδή την

έναρξη και λήξη του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού. Το γεγονός ότι οι γραμμές αυτές είναι

οριζόντιες οφείλεται στον αθερμικό χαρακτήρα του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού. Το

διάγραμμα ΙΤ παρέχει πληροφορία για το ποιες φάσεις σχηματίζονται κατά τον ισόθερμο

μετασχηματισμό του ωστενίτη, όταν ο χάλυβας ψυχθεί κάτω από την ευτηκτοειδή

θερμοκρασία, όπου ο ωστενίτης είναι ασταθής. Για να καταλάβουμε πως μπορούμε να

χρησιμοποιήσουμε το διάγραμμα, ας μελετήσουμε το Σχ.10.17α, όπου έχουμε πέντε όμοια

δοκίμια ευτηκτοειδούς χάλυβα (0.8%C), τα οποία θερμαίνουμε στους 800oC, κάνουμε

28

δηλαδή ωστενιτοποίηση (austenitizing). Η δομή και των πέντε δοκιμίων στην θερμοκρασία

των 800oC είναι ωστενιτική, όπως φαίνεται και από το σημείο Ο στο διάγραμμα φάσεων στο

Σχ.10.17β. Στη συνέχεια ψύχουμε τα πέντε δοκίμια σε διαφορετικές θερμοκρασίες όπου και

παραμένουν για ισόθερμο μετασχηματισμό. Το δοκίμιο Νο.1 ψύχεται απότομα στους 650οC,

μία σχετικά υψηλή θερμοκρασία, όπου παραμένει για 2000sec (33min) και στη συνέχεια

ψύχεται στη θερμοκρασία δωματίου. Η οριζόντια γραμμή του ισόθερμου μετασχηματισμού

διασχίζει τόσο την καμπύλη ενάρξεως όσο και την καμπύλη λήξεως του περλιτικού

μετασχηματισμού. Αυτό σημαίνει ότι όλος ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε περλίτη.

Μάλιστα επειδή η θερμοκρασία μετασχηματισμού (650οC) είναι σχετικά υψηλή, ο περλίτης

που σχηματίζεται είναι χονδρόκοκκος, έχει δηλαδή μεγάλη ενδολαμελική απόσταση, γεγονός

που δεν του προσδίδει υψηλή σκληρότητα. Το δοκίμιο Νο.2 ψύχεται απότομα στους 550οC,

όπου και παραμένει για 700sec (12min). Και εδώ ο περλιτικός μετασχηματισμός

ολοκληρώνεται και μάλιστα πολύ πιο γρήγορα απ' ότι στους 650οC. Οι καμπύλες

μετασχηματισμού (ποσοστού περλίτη) για τις δύο θερμοκρασίες των 650 και των 550οC

φαίνονται στο Σχ.10.17γ. Η ταχύτητα του μετασχηματισμού στους 550oC είναι μεγαλύτερη

κα αυτό οφείλεται στην κινητική τύπου C, που αναλύσαμε πιο πάνω. Λόγω της χαμηλότερης

θερμοκρασίας μετασχηματισμού, ο περλίτης που σχηματίζεται είναι λεπτόκοκκος και έχει

μεγαλύτερη σκληρότητα. Το δοκίμιο Νο.3 ψύχεται απότομα στους 450οC και παραμένει για

300sec (5min) ώστε να ξεκινήσει και να ολοκληρωθεί ο μπαινιτικός μετασχηματισμός. Ο

μπαινίτης που σχηματίζεται στη θερμοκρασία αυτή είναι άνω μπαινίτης. Το δοκίμιο Νο.4

ψύχεται απότομα στους 350οC και παραμένει για 200sec (3.3min), ώστε να πραγματοποιηθεί

ο ισόθερμος μετασχηματισμός του ωστενίτη σε κάτω μπαινίτη. Οι καμπύλες

μετασχηματισμού (ποσοστού μπαινίτη) για τις θερμοκρασίες των 450 και 350oC φαίνονται

στο Σχ.10.17δ. Τέλος το δοκίμιο Νο.5 ψύχεται απότομα από τους 800oC στη θερμοκρασία

δωματίου. Η καμπύλη ψύξεως του δοκιμίου αυτού δεν διασχίζει τις καμπύλες C αλλά τις

γραμμές Ms και Mf. Το δοκίμιο αυτό υφίσταται μαρτενσιτικό μετασχηματισμό και ο

ωστενίτης μετασχηματίζεται πλήρως σε μαρτενσίτη. Ο μαρτενσίτης αυτός δεν σχηματίζεται

ισόθερμα αλλά αθερμικά κατά την ψύξη μεταξύ Ms και Mf, όπως φαίνεται και από την

καμπύλη μετασχηματισμού (ποσοστό μαρτενσίτη) του Σχ.10.17ε.

Τώρα θα μελετήσουμε ένα παράδειγμα, όπου δεν επιτρέπουμε να ολοκληρωθούν οι

διαχυτικοί μετασχηματισμοί. Στο Σχ.10.18 έχουμε το διάγραμμα ΙΤ του ευτηκτοειδούς

χάλυβα και θεωρούμε τέσσερα όμοια δοκίμια τα οποία ωστενιτοποιούμε στους 800oC. Στη

συνέχεια το δοκίμιο Νο.1 ψύχεται απότομα στους 650oC, όπου και παραμένει για 300sec και

στη συνέχεια υφίσταται βαφή στη θερμοκρασία δωματίου. Όπως φαίνεται και από το

29

διάγραμμα ΙΤ, ο περλιτικός μετασχηματισμός δεν έχει ολοκληρωθεί στο χρόνο των 300sec,

αλλά έχει σχηματιστεί περίπου 90% περλίτης. Με την βαφή από τους 650oC, ο

υπολειπόμενος ωστενίτης, που αποτελεί το 10% της δομής, μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη.

Ετσι η τελική μικροδομή του δοκιμίου Νο.1 μετά την βαφή αποτελείται από 90% περλίτη και

10% μαρτενσίτη. Το δοκίμιο Νο.2 ψύχεται απότομα στους 600oC και παραμένει για χρόνο 3

sec. Στη συνέχεια υφίσταται βαφή στη θερμοκρασία δωματίου. Η τελική μικροδομή

αποτελείται από 50% περλίτη και 50% μαρτενσίτη. Το δοκίμιο Νο.3 ψύχεται απότομα στους

400oC και παραμένει για 30sec. Στη συνέχεια υφίσταται βαφή στη θερμοκρασία δωματίου.

Στο τέλος των 30sec, έχει σχηματιστεί 80% μπαινίτης. Με την βαφή ο υπολειπόμενος

ωστενίτης μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη. Ετσι η τελική μικροδομή του δοκιμίου Νο.3

αποτελείται από 80% μπαινίτη και 20% μαρτενσίτη. Τέλος το δοκίμιο Νο.4 ψύχεται απότομα

στους 300oC και παραμένει για 10sec. στη συνέχεια υφίσταται βαφή στη θερμοκρασία

δωματίου. Επειδή η οριζόντια γραμμή στους 300oC δεν διασχίζει την καμπύλη ενάρξεως του

περλιτικού ή του μπαινιτικού μετασχηματισμού, το δοκίμιο παραμένει 100% ωστενίτης. Με

την βαφή ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη. Ετσι η τελική μικροδομή του

δοκιμίου Νο.4 αποτελείται από 100% μαρτενσίτη.

Όπως είδαμε, σε όλα τα πιο πάνω παραδείγματα, οι καμπύλες ψύξεως, που αντιστοιχούν στην

απότομη ψύξη από την θερμοκρασία ωστενιτοποιήσεως (800oC) έως την θερμοκρασία

ισόθερμου μετασχηματισμού περνούν αριστερά από την περλιτική μύτη. Αυτό γίνεται για να

μην ενεργοποιηθούν οι διαχυτικοί μετασχηματισμοί κατά την διάρκεια της ψύξεως. Επίσης,

είναι προφανές ότι για να πάρουμε 100% μαρτενσίτη πρέπει η καμπύλη ψύξεως να περάσει

αριστερά από την περλιτική μύτη, και να διασχίσει τόσο την Ms όσο και την Mf.

Τώρα θα μελετήσουμε το διάγραμμα ΙΤ ενός υποευτηκτοειδούς χάλυβα. Το διάγραμμα αυτό

για ένα χάλυβα με 0.4%C φαίνεται στο Σχ.10.19. Θα παρατηρήσουμε ορισμένες διαφορές σε

σχέση με το αντίστοιχο διάγραμμα του ευτηκτοειδούς χάλυβα, του Σχ.10.16. Οι καμπύλες C

είναι μετατοπισμένες προς τα αριστερά, σε μικρότερους χρόνους. Αυτό σημαίνει ότι οι

διαχυτικοί μετασχηματισμοί πραγματοποιούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα. Μάλιστα η

περλιτική μύτη τέμνεται από τον άξονα των θερμοκρασιών. Μία ακόμα διαφορά είναι η

παρουσία μιας επιπλέον καμπύλης πάνω και αριστερά από την καμπύλη ενάρξεως του

περλιτικού μετασχηματισμού. Η καμπύλη αυτή αντιστοιχεί στην έναρξη του σχηματισμού

του προευτηκτοειδούς φερρίτη και τείνει ασυμπτωτικά στην θερμοκρασία Α3 για τον

συγκεκριμένο χάλυβα, όπως φαίνεται και από το παρακείμενο διάγραμμα φάσεων

(Σχ.10.19β). Ας δούμε τώρα ορισμένα παραδείγματα μετασχηματισμών. Θεωρούμε τέσσερα

όμοια δοκίμια του χάλυβα 0.4%C, τα οποία ωστενιτοποιούμε στους 850oC. Το δοκίμιο Νο.1

30

ψύχεται απότομα στους 750oC (πάνω από την ευτηκτοειδή) και παραμένει για 7x103 sec

(περίπου 2 ώρες). Η γραμμή ισόθερμου μετασχηματισμού διασχίζει την καμπύλη ενάρξεως

του σχηματισμού φερρίτη. Ετσι ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε προευτηκτοειδή φερρίτη.

Επειδή το χρονικό διάστημα είναι μεγάλο, επικρατούν συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας

και το ποσοστό φερρίτη που σχηματίζεται είναι αυτό που προβλέπεται από το διάγραμμα

φάσεων για τους 750oC. Στο τέλος του χρόνου παραμονής, το δοκίμιο υφίσταται βαφή στη

θερμοκρασία δωματίου και ο υπολειπόμενος ωστενίτης μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη. Η

τελική μικροδομή του δοκιμίου Νο.1 αποτελείται από προευτηκτοειδή φερρίτη και

μαρτενσίτη. Το δοκίμιο Νο.2 ψύχεται απότομα στους 650oC και παραμένει για 100sec, όπου

ολοκληρώνεται ο περλιτικός μετασχηματισμός. Όμως επειδή η καμπύλη ψύξεως διασχίζει

την καμπύλη ενάρξεως του σχηματισμού φερρίτη, μία μικρή ποσότητα φερρίτη σχηματίζεται

πριν από την έναρξη του περλιτικού μετασχηματισμού. Η τελική μικροδομή του δοκιμίου

Νο.2 αποτελείται από περλίτη και μικρή ποσότητα φερρίτη. Το δοκίμιο Νο.3 ψύχεται

απότομα στους 400oC και παραμένει για περίπου 30 sec έως ότου ολοκληρωθεί ο μπαινιτικός

μετασχηματισμός. Όμως επειδή η καμπύλη ψύξεως διασχίζει τόσο την καμπύλη ενάρξεως

του φερρίτη όσο και την καμπύλη ενάρξεως του περλίτη, θα σχηματιστεί και μικρή ποσότητα

φερρίτη και περλίτη πριν από τον σχηματισμό μπαινίτη. Ετσι η τελική μικροδομή του

δοκιμίου Νο.3 αποτελείται από μπαινίτη και μικρή ποσότητα φερρίτη και περλίτη. Το δοκίμιο

Νο.4 υφίσταται βαφή στη θερμοκρασία δωματίου και η καμπύλη ψύξεως διασχίζει τόσο την

Ms όσο και την Mf. Ωστόσο, πριν τον μαρτενιτικό μετασχηματισμό σχηματίζεται μικρή

ποσότητα φερρίτη και περλίτη, όπως συνέβη με την προηγούμενη περίπτωση. Η τελική

μικροδομή του δοκιμίου Νο.4 αποτελείται από μαρτενσίτη και μικρή ποσότητα φερρίτη και

περλίτη. Η μεγάλη ταχύτητα με την οποία πραγματοποιούνται οι μετασχηματισμοί του

ωστενίτη σε φερρίτη ή σε περλίτη δεν επιτρέπουν τον σχηματισμό 100% μπαινιτικής η

μαρτενσιτικής δομής στον χάλυβα αυτό.

Η ανάλυση που παρουσιάστηκε πιο πάνω για τον υποευτηκτοειδή χάλυβα μπορεί να

εφαρμοστεί και για τους υπερευτηκτοειδείς χάλυβες (με παραπάνω από 0.8%C). Στη

περίπτωση αυτή η καμπύλη για την έναρξη του σχηματισμού φερρίτη αντικαθίσταται από την

καμπύλη για την έναρξη σχηματισμού σεμεντίτη.

10.4.2 Διαγράμματα CCT

Η πλειοψηφία των θερμικών κατεργασιών των χαλύβων περιλαμβάνει ωστενιτοποίηση του

χάλυβα, η οποία ακολουθείται από συνεχή ψύξη του ωστενίτη για τον σχηματισμό διαφόρων

φάσεων που διαμορφώνουν την μικροδομή. Αυτό επιβάλλει να ασχοληθούμε με τα

31

διαγράμματα μετασχηματισμών συνεχούς ψύξεως CCT (Continuous Cooling

Transformation). Κατ' αρχήν ας δούμε τις διαφορές, που παρουσιάζει το διάγραμμα CCT από

το διάγραμμα ΙΤ για τον ίδιο χάλυβα. Στο Σχ.10.20 φαίνονται τα διαγράμματα CCT (πλήρης

γραμμή) και ΙΤ (διακεκομμένη γραμμή) για τον ευτηκτοειδή χάλυβα. Παρατηρούμε ότι οι

καμπύλες που αντιστοιχούν στην έναρξη και την λήξη του μετασχηματισμού του ωστενίτη

είναι μετατοπισμένες προς τα δεξιά και κάτω από τις αντίστοιχες καμπύλες του διαγράμματος

ΙΤ. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί θεωρώντας την καμπύλη ψύξεως του δοκιμίου Νο.1 που

αντιστοιχεί στην συνεχή ψύξη από την θερμοκρασία ωστενιτοποιήσεως των 800oC. Η

καμπύλη αυτή τέμνει την καμπύλη ενάρξεως του ΙΤ στο σημείο Α. Το σημείο αυτό

αντιστοιχεί σε χρόνο 2sec, που είναι ο χρόνος που απαιτείται για την έναρξη του περλιτικού

μετασχηματισμού, εάν αυτός γινόταν ισόθερμα στους 650oC. Όμως κατά την συνεχή ψύξη ο

χάλυβας μέχρι το σημείο Α ευρίσκεται επάνω από την θερμοκρασία των 650oC, όπου

απαιτείται μεγαλύτερος χρόνος για την έναρξη του μετασχηματισμού. Αυτός ο μεγαλύτερος

χρόνος αντιστοιχεί σε μεγαλύτερη πτώση της θερμοκρασίας και έτσι, κατά την συνεχή ψύξη

ο μετασχηματισμός ξεκινά σε χαμηλότερη θερμοκρασία, που αντιστοιχεί στο σημείο Β του

διαγράμματος CCT. Με τον ίδιο τρόπο μπορούμε να εξηγήσουμε την αντιστοιχία των

σημείων Γ (το υ διαγράμματο ς ΙΤ) και Δ (του διαγράμματος CCT) για την λήξη του

περλιτικού μετασχηματισμού. Μία άλλη διαφορά με τους ισόθερμους μετασχηματισμούς

είναι ότι στο διάγραμμα CCT του ευτηκτοειδούς χάλυβα δεν προβλέπεται ο σχηματισμός

μπαινίτη. Πράγματι για το δοκίμιο Νο.1, η καμπύλη ψύξεως διασχίζει τόσο την καμπύλη που

αντιστοιχεί στην έναρξη όσο και την καμπύλη που αντιστοιχεί στην λήξη του περλιτικού

μετασχηματισμού. Ετσι όλος ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε περλίτη. Το δοκίμιο Νο.2

ψύχεται με μεγαλύτερη ταχύτητα. Η καμπύλη ψύξεως τέμνει την καμπύλη ενάρξεως του

περλιτικού μετασχηματισμού χωρίς να τέμνει την καμπύλη λήξεως. Αυτό σημαίνει ότι μία

ποσότητα ωστενίτη μετασχηματίζεται σε περλίτη κατά την ψύξη από το σημείο Ε στο σημείο

Ζ. Κατά την ψύξη από το σημείο Ζ στο σημείο Η, δεν σχηματίζεται μπαινίτης διότι ο χρόνος

παραμονής στην περιοχή του μπαινίτη είναι πολύ μικρός. Επιπλέον η ταχύτητα σχηματισμού

μπαινίτη στις θερμοκρασίες μεταξύ Ζ και Η είναι μικρή. Ετσι ο υπολειπόμενος ωστενίτης θα

μετασχηματιστεί σε μαρτενσίτη. Η τελική μικροδομή του δοκιμίου Νο.2 θα περιέχει περλίτη

και μαρτενσίτη και πρακτικά καθόλου μπαινίτη. Τέλος το δοκίμιο Νο.3 ψύχεται με αρκετά

μεγάλη ταχύτητα ώστε η καμπύλη ψύξεως να μην τέμνει την καμπύλη ενάρξεως το υ

περλιτικού μετασχηματισμού. Η μικροδομή του δοκιμίου αυτού αποτελείται από 100%

μαρτενσίτη. Στο διάγραμμα CCT έχουν σημειωθεί δύο κρίσιμες ταχύτητες ψύξεως. Η

καμπύλη με ταχύτητα ψύξεως RP και η καμπύλη με ταχύτητα ψύξεως RM. Για να πάρουμε

32

100% περλίτη πρέπει να ψύξουμε τον χάλυβα με ταχύτητα μικρότερη της RP (π.χ. καμπύλη

1). Αντίστοιχα, για να πάρουμε 100% μαρτενσίτη, πρέπει να ψύξουμε τον χάλυβα με

ταχύτητα μεγαλύτερη της RM (π.χ. καμπύλη 3). Ας δούμε τώρα ένα παράδειγμα εφαρμογής

του διαγράμματος CCT για να εξηγήσουμε το παράδειγμα του Σχ.10.5. Στο Σχ.10.21.

Θεωρούμε τέσσερα όμοια δοκίμια ευτηκτοειδούς χάλυβα, τα οποία υφίστανται

ωστενιτοποίηση στους 800oC. Στη συνέχεια το δοκίμιο Νο.1 ψύχεται μέσα στον φούρνο

(αφού σβήσουμε τον φούρνο).Το δοκίμιο αυτό αποκτά την θερμοκρασία δωματίου μετά από

μία μέρα περίπου. Ο χάλυβας του δοκιμίου Νο.1 έχει σκληρότητα 15RC και επιμήκυνση

30%. Το δοκίμιο Νο.2 ψύχεται στον αέρα και αποκτά την θερμοκρασία δωματίου σε περίπου

μία ώρα. Η σκληρότητα του χάλυβα είναι τώρα 25RC και η επιμήκυνση 20%. Το δοκίμιο

Νο.3 ψύχεται σε λάδι. Το δοκίμιο αποκτά την θερμοκρασία δωματίου σε περίπου 1 min. Η

σκληρότητα του χάλυβα είναι τώρα 35RC ενώ η επιμήκυνση μειώνεται στο 10%. Τέλος το

δοκίμιο Νο.4 ψύχεται σε νερό. Το δοκίμιο αποκτά την θερμοκρασία δωματίου σε λιγότερο

από 2sec. Η σκληρότητα αυξάνεται τώρα στα 60RC ενώ αντίστοιχα η επιμήκυνση μειώνεται

στο 2%. Οι διαφορετικές ιδιότητες των δοκιμίων οφείλονται προφανώς στις διαφορετικές

μικροδομές, που σχηματίζονται κατά την συνεχή ψύξη των δοκιμίων από την θερμοκρασία

των 800oC. Όπως μας υποδεικνύει το διάγραμμα CCT, στο δοκίμιο Νο.1 ο ωστενίτης

μετασχηματίζεται σε περλίτη. Επειδή ο περλίτης αυτός σχηματίζεται σε υψηλές

θερμοκρασίες, είναι χονδρόκοκκος. Αυτό προσδίδει στον χάλυβα μία χαμηλή σκληρότητα

(15RC) και μία αντίστοιχα μεγάλη ολκιμότητα, που εκφράζεται από την υψηλή επιμήκυνση

του 30%. Στο δοκίμιο Νο.2, ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε λεπτόκοκκο περλίτη, διότι ο

περλίτης αυτός σχηματίζεται σε σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, Σε σχέση με το δοκίμιο

Νο.1, το δοκίμιο Νο.2 παρουσιάζει μεγαλύτερη σκληρότητα (25RC) και μία αντίστοιχα

μικρότερη ολκιμότητα. Στο δοκίμιο Νο.3, που ψύχεται στο λάδι, ο ωστενίτης

μετασχηματίζεται σε περλίτη και μαρτενσίτη. Η σκληρότητα αυξάνεται στα 35RC. Τελος στο

δοκίμιο, που ψύχεται στο νερό, με την μεγαλύτερη ταχύτητα ψύξεως, ο ωστενίτης

μετασχηματίζεται σε 100% μαρτενσίτη. Η σκληρότητα αυξάνεται στα 60RC, μία πολύ υψηλή

τιμή. Η σκληρότητα αυτή οφείλεται κυρίως σε ισχυροποίηση στερεού διαλύματος, από τον

εγκλωβισμό των ατόμων άνθρακα σε θέσεις παρεμβολής στο πλέγμα του μαρτενσίτη, όπως

αναλύσαμε πιο πάνω. Βέβαια η αύξηση της σκληρότητας συνοδεύεται από δραστική πτώση

της ολκιμότητας. Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι ο χάλυβας είναι μεν σκληρός και διαθέτει

υψηλό όριο διαρροής, όμως από την άλλη μεριά ο χάλυβας αυτός είναι αρκετά ψαθυρός και

έτσι δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως έχει. Απαιτείται μία ακόμα θερμική κατεργασία για να

επανέλθει ένα μέρος της ολκιμότητας. Η κατεργασία αυτή, που περιλαμβάνει θέρμανση του

33

μαρτενσίτη σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες, ονομάζεται επαναφορά (tempering) και θα μας

απασχολήσει πιο κάτω.

10.4.3 Εμβαπτότητα

Τώρα θα μελετήσουμε μία σημαντική ιδιότητα των χαλύβων, που σχετίζεται με τις θερμικές

κατεργασίες. Ας υποθέσουμε ότι διαθέτουμε δύο ράβδους από ευτηκτοειδή χάλυβα 1080 (με

περιεκτικότητα 0.8%C) διαμέτρου 10 και 30mm αντίστοιχα. Η ράβδοι υφίστανται

ωστενιτοποίηση στους 800oC και στη συνέχεια βαφή σε λάδι. Μετά την βαφή παρατηρούμε

ότι η ράβδος των 10mm έχει 100% μαρτενσιτική δομή από την επιφάνεια μέχρι το κέντρο

της. Αντίθετα η ράβδος των 30mm έχει μαρτενσίτη μόνο στην επιφάνεια. Αυτό οφείλεται στο

γεγονός ότι η ταχύτητα ψύξεως δεν είναι η ίδια στην επιφάνεια και στο κέντρο της ράβδου. Η

επιφάνεια ψύχεται ταχύτερα και το κέντρο πιο αργά. Στην πραγματικότητα κάθε σημείο κατά

μήκος της διαμέτρου της ράβδου έχει διαφορετική ταχύτητα ψύξεως. Ας χωρίσουμε την

διατομή της ράβδου σε τρεις περιοχές Α,Β και Γ (Σχ.10.22). Η περιοχή Α αντιστοιχεί στην

επιφάνεια της ράβδου, η περιοχή Γ αντιστοιχεί στο κέντρο και η περιοχή Β ενδιάμεσα. Στο

διάγραμμα CCT φαίνονται οι καμπύλες ψύξεως RA, RB και RΓ αντίστοιχα. Η ταχύτητα ψύξεως

RA, στην επιφάνεια της ράβδου, είναι μεγαλύτερη από την κρίσιμη ταχύτητα RM, οπότε στην

επιφάνεια θα σχηματιστεί μαρτενσίτης. Η ταχύτητα ψύξεως στο κέντρο της ράβδου RΓ είναι

μικρότερη από την κρίσιμη ταχύτητα RP, οπότε στο κέντρο θα σχηματιστεί περλίτης. Στην

ενδιάμεση θέση, η ταχύτητα ψύξεως RB είναι μεταξύ των RM και RP και επομένως εκεί θα

σχηματιστεί περλίτης και μαρτενσίτης. Ετσι βλέπουμε ότι ενώ στη μικρή ράβδο πετυχαίνουμε

πλήρη μετασχηματισμό σε μαρτενσίτη και επομένως πλήρη σκλήρυνση (full hard), στη

μεγάλη ράβδο παίρνουμε μαρτενσίτη μόνο σε ένα επιφανειακό στρώμα της ράβδου. Αυτό

έχει σαν αποτέλεσμα να παρουσιάζεται μία διαβάθμιση σκληρότητας από την επιφάνεια προς

το κέντρο της ράβδου. Η ράβδος είναι σκληρή στην επιφάνεια και μαλακή στο κέντρο της.

Ενας τρό πο ς για να πετύχο υμε σκλήρυνση σε μεγαλύτερο τμήμα της διατο μής της ράβδο υ

είναι να χρησιμοποιήσουμε ένα διαφορετικό μέσο βαφής για να πετύχουμε μεγαλύτερη

ταχύτητα ψύξεως. Πράγματι παίρνουμε μία όμοια ράβδο διαμέτρου 30mm, η οποία μετά την

ωστενιτοποίηση υφίσταται βαφή σε νερό. Στο Σχ.10.23α παρατηρούμε ότι τώρα οι περιοχές

Α και Β μετασχηματίζονται σε μαρτενσίτη και έτσι η ράβδος σκληραίνει σε μεγαλύτερο

βάθος. Η βαφή σε πιο δραστικό μέσο έχει σαν αποτέλεσμα μεγαλύτερη ταχύτητα ψύξεως και

τον σχηματισμό μαρτενσίτη σε μεγαλύτερο βάθος. Η χρήση όμως δραστικών μέσων βαφής

για την σκλήρυνση χαλύβδινων στοιχείων παρουσιάζει δύο σημαντικά προβλήματα. Το

πρώτο πρόβλημα αφορά τον σχηματισμό ρωγμών, που ονομάζονται ρωγμές βαφής (quench

34

cracks). Το δεύτερο πρόβλημα αφορά τις παραμορφώσεις που δημιουργούνται λόγω των

θερμικών τάσεων, που αναπτύσσονται κατά την βαφή. Ιδιαίτερα σε λεπτότοιχα μηχανολογικά

στοιχεία, οι θερμικές τάσεις είναι δυνατόν να προκαλέσουν στρεβλώσεις που καθιστούν το

στοιχείο ακατάλληλο προς χρήση. Και τα δύο προβλήματα θέτουν σοβαρούς περιορισμούς

στην χρήση δραστικών μέσων βαφής για την σκλήρυνση του χάλυβα σε μεγάλο βάθος.

Βλέπουμε ότι ο συγκεκριμένος χάλυβας του παραδείγματος μας, ο χάλυβας 1080, έχει

περιορισμένη δυνατότητα για σκλήρυνση με βαφή. Λέμε ότι ο χάλυβας αυτός έχει

περιορισμένη εμβαπτότητα. Μπορούμε να ορίσουμε την εμβαπτότητα (hardenability) ως την

ευκολία με την οποία ένας χάλυβας μπορεί να σχηματίσει μαρτενσίτη. Ενας χάλυβας που

μπορεί να σχηματίσει μαρτενσίτη με πιο αργή ψύξη έχει μεγαλύτερη εμβαπτότητα από ένα

άλλο χάλυβα, που απαιτεί πιο γρήγορη ψύξη για το ίδιο πράγμα. Ενας χάλυβας με

μεγαλύτερη εμβαπτότητα σχηματίζει μαρτενσίτη σε μεγαλύτερο βάθος από την επιφάνεια

από έναν χάλυβα μικρότερης εμβαπτότητας, που ψύχεται στο ίδιο μέσο βαφής. Τώρα ας

υποθέσουμε ότι διαθέτουμε και μία ράβδο διαμέτρου 30mm από χάλυβα 4380. Ο χάλυβας

αυτός έχει την ίδια περιεκτικότητα σε άνθρακα με τον 1080 (0.8%C), αλλά επιπλέον περιέχει

κραματικά στοιχεία, όπως Mn, Cr και Ni. Η ράβδος υφίσταται ωστενιτοποίηση και στη

συνέχεια βαφή σε ένα πιο ήπιο μέσο, π.χ σε λάδι. Στο διάγραμμα CCT του χάλυβα 4380

(Σχ.10.23β) φαίνεται ότι και οι τρεις καμπύλες ψύξεως RA, RB και RΓ είναι αριστερά από την

κρίσιμη καμπύλη RM και αυτό όχι γιατί οι καμπύλες ψύξεως μετακινήθηκαν αριστερά, αλλά

γιατί οι καμπύλες του περλιτικού μετασχηματισμού (καμπύλες C) μετακινήθηκαν δεξιότερα,

σε μεγαλύτερους χρόνους, σε σχέση με τον χάλυβα 1080. Λέμε ότι ο χάλυβας 4380 έχει

μεγαλύτερη εμβαπτότητα από τον χάλυβα 1080. Ο χάλυβας 4380 έχει την δυνατότητα να

σχηματίσει μαρτενσίτη και επομένως να σκληρύνει σε μεγαλύτερο βάθος και με την χρήση

πιο ήπιων μέσων βαφής απ' ό τι ο χάλυβας 1080. Επιπλέον με την χρήση πιο ήπιων μέσων

βαφής, ο χάλυβας 4380 δεν θα παρουσιάσει τα προβλήματα ρωγματώσεων και στρεβλώσεων,

που παρουσιάζονται όταν χρησιμοποιούμε χάλυβες μικρότερης εμβαπτότητας και δραστικά

μέσα βαφής. Για ποιο λόγο ο χάλυβας 4380 έχει μεγαλύτερη εμβαπτότητα από τον χάλυβα

1080; Η απάντηση πρέπει να αναζητηθεί στο ρόλο των κραματικών στοιχείων. Τα Mn, Cr και

Ni είναι στοιχεία αντικαταστάσεως. Για να πραγματοποιηθεί η ευτηκτοειδής αντίδραση και

να σχηματιστεί περλίτης, πρέπει εκτός από την διάχυση του άνθρακα να πραγματοποιηθεί και

η διάχυση των στοιχείων αυτών. Όμως, όπως έχουμε δεί στο Κεφ.5, η διάχυση των στοιχείων

αντικαταστάσεως είναι πιο αργή από την διάχυση των στοιχείων παρεμβολής. Αποτέλεσμα

είναι καθυστέρηση του περλιτικού μετασχηματισμού, γεγονός που μεταθέτει τις αντίστοιχες

35

καμπύλες για την έναρξη και την λήξη στο διάγραμμα CCT σε μεγαλύτερους χρόνους,

αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό την εμβαπτότητα του χάλυβα.

Η εμβαπτότητα ενός χάλυβα μπορεί να εκφραστεί με διάφορους τρόπους. Ενας τρόπος είναι

η μέγιστη διάμετρος ράβδου, που μπορεί να υποστεί ολικό μαρτενσιτικό μετασχηματισμό.

Ενας άλλος τρόπος είναι ο χαμηλότερος ρυθμός ψύξεως, που απαιτείται για τον μαρτενσιτικό

μετασχηματισμό σε όλη τη διατομή της ράβδου. Ακόμα ένας τρόπος είναι το βάθος από την

επιφάνεια που επιτυγχάνεται σχηματισμός μαρτενσίτη. Όλοι αυτοί οι τρόποι εκφράζουν την

εμβαπτότητα ενός χάλυβα. Στην παρούσα ανάλυση, θα υιοθετήσουμε τον χαρακτηρισμό της

εμβαπτότητας με το βάθος βαφής, το οποίο προσδιορίζεται με την μέθοδο Jominy. Σύμφωνα

με την μέθοδο αυτή, μία ράβδος κυκλικής διατομής υφίσταται ωστενιτοποίηση και στη

συνέχεια το ένα άκρο της υφίσταται βαφή με ψεκασμό νερού συγκεκριμένης πιέσεως και

παροχής, όπως φαίνεται στο Σχ.10.24. Μετά την βαφή πραγματοποιούνται μετρήσεις

σκληρότητας από το άκρο βαφής κατά μήκος της ράβδου και κατασκευάζεται η καμπύλη

εμβαπτότητας (hardenability curve). Η αντιστοιχία της καμπύλης εμβαπτότητας με το

διάγραμμα CCT φαίνεται στο Σχ.10.25 για τον χάλυβα 4140 (0.4C-0.7Mn-1Cr). Η

σκληρότητα μεταβάλλεται κατά μήκος της ράβδου λόγω της μεταβολής της ταχύτητας

ψύξεως από σημείο σε σημείο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τον σχηματισμό διαφορετικών

δομών σύμφωνα με το διάγραμμα CCT. Το άκρο βαφής ψύχεται με την μεγαλύτερη ταχύτητα

και ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός προκαλεί την μέγιστη δυνατή σκλήρυνση για την

συγκεκριμένη περιεκτικότητα σε άνθρακα (0.4%C). Οι καμπύλες εμβαπτότητας βρίσκουν

πρακτική εφαρμογή όταν επιθυμούμε να συγκρίνουμε χάλυβες μεταξύ τους ως προς την

εμβαπτότητά τους. Στο Σχ.10.26 φαίνονται οι καμπύλες εμβαπτότητας τεσσάρων χαλύβων.

Οι χάλυβες 1040, 5140, 2340 και 4340 (κατά AISI) έχουν όλοι την ίδια περιεκτικότητα σε

άνθρακα αλλά διαφέρουν ως προς τα κραματικά στοιχεία αντικαταστάσεως. Ο χάλυβας 5140

περιέχει Cr, ο χάλυβας 2340 περιέχει Ni και ο χάλυβας 4340 περιέχει Cr, Ni και Mo. Από το

διάγραμμα φαίνεται ότι η προσθήκη κραματικών στοιχείων βελτιώνει σημαντικά την

εμβαπτότητα των χαλύβων, αφού διατηρείται υψηλή σκληρότητα σε μεγαλύτερο μήκος από

το άκρο βαφής.

Παράγοντες που επηρρεάζουν την εμβαπτότητα. Όπως είδαμε πιο πάνω, η εμβαπτότητα

είναι η ευκολία με την οποία σχηματίζεται μαρτενσίτης σε ένα χάλυβα. Όταν η εμβαπτότητα

είναι υψηλή, τότε ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη χωρίς να σχηματιστεί

περλίτης ή μπαινίτης ακόμα και αν ο ρυθμός ψύξεως είναι χαμηλός. Αντίθετα, σε χάλυβες

χαμηλής εμβαπτότητας, απαιτούνται υψηλοί ρυθμοί ψύξεως για τον σχηματισμό μαρτενσίτη.

Είναι φανερό ότι η εμβαπτότητα σχετίζεται με την μέγιστη ταχύτητα του περλιτικού

36

μετασχηματισμού, δηλαδή με την θέση της περλιτικής μύτης στο διάγραμμα CCT. Κάθε

παράγοντας που μετακινεί την περλιτική μύτη, σε ένα διάγραμμα CCT, προς τα δεξιά,

δηλαδή σε μεγαλύτερους χρόνους, αυξάνει την εμβαπτότητα. Με άλλα λόγια οποιαδήποτε

παράμετρος επιβραδύνει τους διαχυτικούς μετασχηματισμούς για τον σχηματισμό φερρίτη,

περλίτη ή μπαινίτη, αυξάνει την εμβαπτότητα. Οι σημαντικότεροι παράγοντες που

επηρρεάζουν την εμβαπτότητα είναι: (α) ο άνθρακας και τα κραματικά στοιχεία

αντικαταστάσεως, (β) το μέγεθος του ωστενιτικού κόκκου. Η αύξηση της περιεκτικότητας σε

άνθρακα οδηγεί σε αύξηση της εμβαπτότητας διότι επιβραδύνεται ο περλιτικός

μετασχηματισμός. Επίσης η προσθήκη κραματικών στοιχείων αντικαταστάσεως, π.χ. Mn, Cr,

Ni, Mo αυξάνει την εμβαπτότητα για τον ίδιο λόγο. Μάλιστα επειδή η διάχυση των στοιχείων

αυτών είναι πολύ πιο αργή από την διάχυση του άνθρακα, η επίδρασή τους στην εμβαπτότητα

είναι σημαντική, όπως άλλωστε φαίνεται και από το συγκριτικό διάγραμμα του Σχ.10.26. Ας

έρθουμε τώρα στην επίδραση του ωστενιτικού κόκκου. Κατά την ωστενιτοποίηση

σχηματίζεται ωστενίτης με πυρήνωση και ανάπτυξη. Το μέγεθος του ωστενιτικού κόκκου

εξαρτάται από την θερμοκρασία και τον χρόνο ωστενιτοποιήσεως και χαρακτηρίζεται κατά

ASTM από τον αριθμό Ν, σύμφωνα με τη σχέση 12Nn −= (10.17)

όπου n ο αριθμός των κόκκων ανά τετραγωνική ίντσα (κόκκοι/in2) σε ένα μεταλλογραφικό

δοκίμιο που παρατηρείται σε μεγέθυνση 100Χ. Στους χάλυβες ο αριθμός Ν κυμαίνεται

μεταξύ 1 και 9 . Ετσι ό ταν Ν=4, τότε υπάρχουν 8 κόκκοι/in2, ενώ όταν Ν=8 υπάρχουν 128

κόκκοι/in2. Ετσι ένας λεπτόκοκκος ωστενίτης με Ν=8 περιέχει πολύ περισσότερα σύνορα

κόκκων απ' ότι ο χονδρόκοκκος με Ν=4. Επειδή τα σύνορα των ωστενιτικών κόκκων

λειτουργούν ως θέσεις για την ετερογενή πυρήνωση του περλίτη, η ταχύτητα πυρηνώσεως

και κατά συνέπεια η ταχύτητα του περλιτικού μετασχηματισμού θα είναι μεγαλύτερη στον

λεπτόκοκκο ωστενίτη. Αυτό σημαίνει ότι ο χάλυβας με λεπτόκοκκο ωστενίτη θα έχει

χαμηλότερη εμβαπτότητα. Παρ' όλα αυτά στην πράξη δεν επιδιώκεται η αύξηση της

εμβαπτότητας με την αύξηση του μεγέθους του ωστενιτικού κόκκου, διότι αυτή συνοδεύεται

από μείωση της δυσθραυστότητας και τον ευκολότερο σχηματισμό ρωγμών βαφής. Σε κάθε

περίπτωση, όταν χρησιμοποιούμε ένα διάγραμμα CCT από την βιβλιογραφία, θα πρέπει να

προσέχουμε με ποιο μέγεθος ωστενιτικού κόκκου έχει προσδιοριστεί το διάγραμμα αυτό.

10.5 Επαναφορά του μαρτενσίτη

Ο μαρτενσίτης που σχηματίζεται στους χάλυβες αμέσως μετά τη βαφή είναι μία πολύ σκληρή

αλλά ταυτόχρονα ψαθυρή φάση έτσι ώστε να μην είναι πρακτική η χρήση του χάλυβα στην

37

κατάσταση αμέσως μετά την βαφή. Για τον λόγο αυτό, την βαφή ακολουθεί μία θερμική

κατεργασία, η επαναφορά (tempering), με την οποία προσδίδεται στον χάλυβα ολκιμότητα με

μικρή σχετικά μείωση της σκληρότητας. Η μαρτενσιτική φάση αμέσως μετά τη βαφή είναι

ένα υπέρκορο στερεό διάλυμα Fe-C με τετραγωνική δομή BCT. Η πυκνότητα των αταξιών

είναι μεγάλη, και φθάνει έως και 1012cm-2. Κατά την επαναφορά τα άτομα του άνθρακα

καθώς και τα δομικά σφάλματα (οπές και αταξίες) αποκτούν κινητικότητα με αποτέλεσμα

την ενεργοποίηση διεργασιών όπως (α) χαλάρωση των ελαστικών εσωτερικών τάσεων, (β)

ανακατανομή των αταξιών σε σχηματισμούς χαμηλότερης ενέργειας και μείωση της

πυκνότητάς τους (γ) ανάπτυξη των κόκκων, (δ) καθίζηση μετασταθών ή σταθερών φάσεων

(κυρίως καρβιδίων) στο μαρτενσιτικό πλέγμα ή σε αταξίες, (ε) μετασχηματισμός του

παραμένοντα ωστενίτη. Όλες αυτές οι διεργασίες μειώνουν την σκληρότητα και αυξάνουν

την ολκιμότητα. Στις περιπτώσεις που η θερμοκρασία Ms είναι υψηλή, τότε ενεργοποιούνται

κάποιες από τις παραπάνω διεργασίες κατά την διάρκεια της βαφής. Το φαινόμενο αυτό

ονομάζεται αυτοεπαναφορά (autotempering).

Στους ανθρακοχάλυβες η επαναφορά περιλαμβάνει τέσσερα στάδια με την αύξηση της

θερμοκρασίας:

Στάδιο 1: καθίζηση ε-καρβιδίου και μείωση της τετραγωνικότητας του μαρτενσίτη (έως τους

250°C). Το ε-καρβίδιο έχει δομή HCP και σχηματίζεται με συγκεκριμένη σχέση

προσανατολισμού με το τετραγωνικό πλέγμα του μαρτενσίτη, κατά Jack

( ) ( )εα′ 1110//101 (10.18α)

( ) ( )εα′ 0001//011 (10.18β)

[ ] [ ]εα′ 1021//111 (10.18γ)

Η ασυμφωνία πλέγματος μεταξύ των επιπέδων ( )α′101 και ( )ε1110 είναι πολύ μικρή έτσι

ώστε στα αρχικά στάδια της καθιζήσεως, το ε-καρβίδιο έχει πλήρη συνοχή. Στο γεγονός

αυτό οφείλεται και η μικρή αύξηση της σκληρότητας που παρατηρείται μεταξύ 50 και 100°C.

Στάδιο 2: μετασχηματισμός του παραμένοντα ωστενίτη σε φερρίτη και σεμεντίτη (200-

300°C).

Στάδιο 3: αντικατάσταση του ε-καρβιδίου από σεμεντίτη, απώλεια τετραγωνικότητας του

μαρτενσίτη (200-350°C). Η πυρήνωση του σεμεντίτη γίνεται στις διεπιφάνειες μεταξύ ε-

καρβιδίου και μαρτενσίτη ο οποίος χάνει την τετραγωνικότητά του και μετατρέπεται σε

φερρίτη. Ο σεμεντίτης αναπτύσσεται με μορφή Widmanstätten και με σχέση

προσανατολισμού με τον φερρίτη κατά Bagaryatski

38

( ) ( ) CF3001//211 α (10.19α)

[ ] [ ] CF3100//101 α (10.19β)

[ ] [ ] CFe3010//111 α (10.19γ)

Άλλες θέσεις ετερογενούς πυρηνώσεως του σεμεντίτη αποτελούν οι διεπιφάνειες των

διδυμιών (σε χάλυβες με μεγάλη περιεκτικότητα σε άνθρακα) καθώς και οι διεπιφάνειες

μεταξύ των πλακιδίων μαρτενσίτη ή τα ωστενιτικά σύνορα κόκκων.

Στάδιο 4: διεύρυνση και σφαιροποίηση διασποράς σεμεντίτη, ανακρυστάλλωση του φερρίτη

(πάνω από τους 350°C). Η διεύρυνση της διασποράς σεμεντίτη ενεργοποιείται μεταξύ 300

και 400°C. Η κινούσα δύναμη για την διεύρυνση είναι η μείωση της διεπιφανειακής

ενέργειας (παράγραφος 6.2.4). Με την διεύρυνση ο σεμεντίτης χάνει την κρυσταλλογραφική

του σχέση με τον φερρίτη και αρχίζει να σφαιροποιείται έως τους 700°C. Ταυτόχρονα οι

διεπιφάνειες μεταξύ των πλακιδίων μαρτενσίτη (lath boundaries) μετατρέπονται από σύνορα

μικρής γωνίας σε σύνορα μεγάλης γωνίας, δηλαδή μετασχηματίζονται σε σύνορα κόκκων του

φερρίτη με ισοαξονική μορφολογία. Η διεργασία αυτή περιλαμβάνει τόσο διεργασίες

αποκαταστάσεως (300-600°C) όσο και ανακρυσταλλώσεως (600-700°C). Η τελική δομή

αποτελείται από ισοαξονικούς κόκκους φερρίτη με διασπορά σφαιροποιημένου σεμεντίτη.

Η επαναφορά συνοδεύεται από μία σταδιακή μείωση της σκληρότητας και αντίστοιχα

του ορίου διαρροής του χάλυβα γεγονός που οφείλεται κυρίως στην απώλεια της

τετραγωνικότητας του μαρτενσίτη και την διαφυγή του άνθρακα από το μαρτενσιτικό πλέγμα

για σχηματισμό σεμεντίτη. Στις μεγαλύτερες θερμοκρασίες επαναφοράς η μείωση της

σκληρότητας οφείλεται στην διεύρυνση της διασποράς σεμεντίτη και στην ανακρυστάλλωση

του φερρίτη. Η μείωση του ορίου διαρροής συνοδεύεται από αντίστοιχη αύξηση της

ολκιμότητας του χάλυβα (Σχ. 10.27). Έτσι με την θερμική κατεργασία επαναφοράς είναι

δυνατόν να επιτευχθεί ένας βέλτιστος συνδυασμός αντοχής και ολκιμότητας. Στις αρχές

αυτές βασίζεται η ανάπτυξη των χαλύβων βαφής και επαναφοράς (quenched and tempered

steels, ή Q&T Steels) με εξαιρετικό συνδυασμό αντοχής και δυσθραυστότητας.

Στους κραματωμένους χάλυβες η παρουσία κραματικών στοιχείων διαφοροποιεί τα

χαρακτηριστικά της επαναφοράς σε αρκετά σημεία, σημαντικότερα των οποίων είναι τα εξής:

Το πυρίτιο (Si) σταθεροποιεί το ε-καρβίδιο και αναστέλλει την μετατροπή του σε σεμεντίτη

μέχρι και τους 400°C. Η παρουσία των στοιχείων Cr, W, Mo, Ti, V, Si έχει σαν αποτέλεσμα

την διατήρηση της τετραγωνικότητας του μαρτενσίτη σε θερμοκρασίες επαναφοράς που

φθάνουν και τους 500°C. Αντίθετα τα Ni και Mn επιταχύνουν την απώλεια

τετραγωνικότητας. Ορισμένα κραματικά στοιχεία, όπως τα Si, Cr, Mo και W επιβραδύνουν

39

την διεύρυνση της διασποράς σεμεντίτη με αποτέλεσμα ο σεμεντίτης να διατηρεί την λεπτή

διασπορά του σε μεγάλες θερμοκρασίες επαναφοράς. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να

λειτουργεί ως διασπορά για εκλέπτυνση των κόκκων (παράγραφος 8.5.6) διαμορφώνοντας

έτσι μικρό μέγεθος φερριτικού κόκκου.

Όταν στον χάλυβα υπάρχει ικανοποιητική συγκέντρωση καρβιδιογόνων στοιχείων (π.χ. τα

Cr, Mo, W, V και Ti) τότε σχηματίζονται καρβίδια τα οποία είναι θερμοδυναμικά

σταθερότερα από τον σεμεντίτη. Ο σχηματισμός αυτών των καρβιδίων δεν πραγματοποιείται

σε χαμηλές θερμοκρασίες επαναφοράς (κάτω από τους 500°C) λόγω της χαμηλής

διαχυτικότητας των στοιχείων αντικαταστάσεως. Αντίθετα σε υψηλότερες θερμοκρασίες

επαναφοράς (500-600°C), η διάχυση των στοιχείων αυτών επιταχύνεται και οδηγεί στην

πυρήνωση και ανάπτυξη καρβιδίων yxCΜ . Η διασπορά των καρβιδίων αυτών είναι

λεπτότερη από τη διασπορά του σεμεντίτη, που αντικαθιστά, και επιπλέον παρουσιάζει

μεγαλύτερη αντίσταση στη διεύρυνση. Έτσι ο σχηματισμός των καρβιδίων yxCΜ

συνοδεύεται από αύξηση της σκληρότητας φαινόμενο που ονομάζεται δευτερογενής

σκλήρυνση (secondary hardening). Η δευτερογενής σκλήρυνση αποτελεί στην ουσία

σκλήρυνση με γήρανση, τα χαρακτηριστικά της οποίας μελετήσαμε στο Κεφάλαιο 8. Έτσι η

καμπύλη σκληρότητας χαρακτηρίζεται από ένα μέγιστο που σχετίζεται με την μετάβαση από

τον μηχανισμό ισχυροποιήσεως διαπερατών σωματιδίων σε μηχανισμό Orowan. Στο Σχ.

10.28α φαίνεται η δευτερογενής σκλήρυνση που προκαλείται από το Mo ενώ στο Σχ.10.28β

φαίνεται η διασπορά των καρβιδίων Mo2C μέσα στον επαναφερμένο μαρτενσίτη σε χάλυβα

Fe-4Mo-0.2C. Η πυρήνωση των καρβιδίων είναι ετερογενής . Θέσεις ετερογενούς

πυρηνώσεως αποτελούν τα σωματίδια του σεμεντίτη, οι αταξίες στον φερρίτη, που

κληρονομούνται από τον μαρτενσίτη, καθώς και τα σύνορα των κόκκων. Τα καρβίδια που

σχηματίζονται εξαρτώνται από τα κραματικά στοιχεία. Σε χάλυβες που περιέχουν Cr η σειρά

καθιζήσεως είναι

623373 CCC Μ→Μ→Μ (10.20)

Σε χάλυβες που περιέχουν Mo ή W η σειρά καθιζήσεως είναι

CCC 623 Μ→Μ→Μ (10.21)

Στους χάλυβες που περιέχουν V σχηματίζεται το καρβίδιο VC.

Το μεγάλο πλεονέκτημα των χαλύβων που ισχυροποιούνται με δευτερογενή σκλήρυνση είναι

το γεγονός ότι η διασπορά των καρβιδίων σχηματίζεται σε υψηλές θερμοκρασίες επαναφοράς

(500-600°C) και επομένως η δομή αυτή παραμένει σταθερή σε υψηλές θερμοκρασίες έως και

500°C. Έτσι οι χάλυβες αυτοί μπορούν να διατηρήσουν την αντοχή του στις θερμοκρασίες

40

αυτές. Στις αρχές αυτές βασίζεται η ανάπτυξη πολλών εργαλειοχαλύβων καθώς και

πυρίμαχων χαλύβων με αντοχή στον ερπυσμό.

10.6 Θερμικές Κατεργασίες των Χαλύβων

Με τον όρο θερμικές κατεργασίες (heat treatments) εννοούμε την ελεγχόμενη θέρμανση και

ψύξη το υ χάλυβα για την μεταβολή της μικροδομής του με στόχο την διαμόρφωση των

ιδιοτήτων του. Σχεδόν όλα τα χαλύβδινα μηχανολογικά στοιχεία (άξονες, οδοντώσεις,

έδρανα, κ.λ.π.) υπόκεινται σε κάποιου είδους θερμική κατεργασία είτε ως ενδιάμεσο ή ως

τελικό στάδιο της παραγωγής. Σήμερα έχουν αναπτυχθεί εκατοντάδες θερμικές κατεργασίες,

άλλες με γενική εφαρμογή και άλλες με ειδικότερη εφαρμογή σε συγκεκριμένες κατηγορίες

χαλυβοκραμάτων. Όπως είναι φυσικό, δεν είναι δυνατόν, στα πλαίσια του παρόντος

κεφαλαίου, να συζητήσουμε όλες τις θερμικές κατεργασίες των χαλύβων. Για τον λόγο αυτό

θα περιοριστούμε στην περιγραφή των βασικότερων θερμικών κατεργασιών, που έχουν

γενικότερη εφαρμογή και θα προσπαθήσουμε να συσχετίσουμε τις κατεργασίες αυτές με τους

μετασχηματισμούς φάσεων στους χάλυβες, που συζητήσαμε πιο πάνω. Ας δούμε κατ' αρχήν

τους λόγους για τους οποίους πραγματοποιούνται οι θερμικές κατεργασίες:

• για χαλάρωση των παραμενουσών τάσεων, που προέρχονται από άλλες θερμικές ή

μηχανικές κατεργασίες και συγκολλήσεις

• για ομογενοποίηση, ώστε να πετύχουμε ομοιομορφία στην κατανομή των κραματικών

στοιχείων στην μικροδομή

• για να μαλακώσει το υλικό και να αποκτήσει πλαστικότητα για περαιτέρω μηχανική

κατεργασία διαμορφώσεως

• για αύξηση της δυσθραυστότητας, ώστε να μπορεί το υλικό να αντέχει σε κρουστικές

φορτίσεις

• για αύξηση της σκληρότητας και του ορίου διαρροής, ώστε το υλικό να αντέχει σε

υψηλά μηχανικά φορτία

• για τροποποίηση της επιφάνειας με ή χωρίς προσθήκη κραματικών στοιχείων ώστε να

βελτιωθεί η αντοχή στην φθορά, στην κόπωση και την διάβρωση.

Με βάση τα πιο πάνω, μπορούμε να προβούμε σε μια γενική ταξινόμηση των θερμικών

κατεργασιών σε τρεις κατηγορίες: κατεργασίες ανοπτήσεως, κατεργασίες ισχυροποιήσεως

και επιφανειακές κατεργασίες. Οι βασικότερες θερμικές κατεργασίες φαίνονται στον

Πιν.10.4.

41

Πιν.10.4 Οι βασικότερες θερμικές κατεργασίες των χαλύβων

ΑΝΟΠΤΗΣΗ ΙΣΧΥΡΟΠΟΙΗΣΗ

(ΣΚΛΗΡΥΝΣΗ)

ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΕΣ

ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ

Πλήρης ανόπτηση Βαφή και επαναφορά Επιφανειακή βαφή

Ισόθερμη ανόπτηση Διακοπτόμενη βαφή Ενανθράκωση

Εξομάλυνση Austempering Εναζώτωση

Σφαιροποίηση

Ανόπτηση κατεργασίας

Αποτατική ανόπτηση

Θα ξεκινήσουμε την περιγραφή με τις κατεργασίες ανοπτήσεως. Οι θερμοκρασιακές περιοχές

που πραγματοποιούνται οι κατεργασίες αυτές φαίνονται στο διάγραμμα φάσεων του

Σχ.10.29. Ορισμένες από τις καμπύλες ψύξεως αποτυπώνονται στο διάγραμμα IT/CCT του

ευτηκτοειδούς χάλυβα, στο Σχ.10.30.Την ανόπτηση την γνωρίσαμε στο Κεφ.8, σαν μία

διεργασία, η οποία αναιρεί την εργοσκλήρυνση. Στους χάλυβες, με τον γενικό όρο ανόπτηση

(annealing) περιγράφουμε θερμικές κατεργασίες που έχουν στόχο να μαλακώσουν το υλικό ή

να αυξήσουν την ολκιμότητα και την δυσθραυστότητά του. Η ανόπτηση περιλαμβάνει

θέρμανση του υλικού σε συγκεκριμένη θερμοκρασία, παραμονή στην θερμοκρασία αυτή για

κάποιο χρονικό διάστημα, που εξαρτάται από το μέγεθος του τεμαχίου, και ψύξη στη

θερμοκρασία περιβάλλοντος. Ανάλογα με τον επιδιωκόμενο στόχο διακρίνουμε τους εξής

βασικούς τύπους ανοπτήσεως:

Πλήρης ανόπτηση (full annealing). Εχει ως στόχο να μαλακώσει ο χάλυβας πριν

οποιαδήποτε μηχανουργική κατεργασία. Η ψύξη είναι αργή και πραγματοποιείται συνήθως

μέσα στο φούρνο (καμπύλη 1 στο Σχ.10.30). Η τελική μικροδομή αποτελείται από

χονδρόκοκκο περλίτη. Η πλήρης ανόπτηση μπορεί να πραγματοποιηθεί και ισόθερμα

(καμπύλη 2 στο Σχ.10.30), οπότε ονομάζεται ισόθερμη ανόπτηση (isothermal annealing).

Εξομάλυνση (normalizing). Εχει σαν στόχο την ομογενοποίηση των κραματικών στοιχείων

για τον όσο το δυνατόν ομοιογενή μετασχηματισμό του ωστενίτη κατά την ψύξη.

Περιλαμβάνει θέρμανση στην ωστενιτική περιοχή, σε θερμοκρασίες υψηλότερες από αυτές

που πραγματοποιείται η πλήρης ανόπτηση. Η ψύξη πραγματοποιείται στον αέρα (καμπύλη 3

στο Σχ.10.30). Η τελική μικροδομή αποτελείται από λεπτόκοκκο περλίτη.

42

Ανόπτηση κατεργασίας (process annealing). Αναφέρεται κυρίως σε χαλύβδινα προϊόντα

κατεργασιών διαμορφώσεως, όπως έλαση, ολκή (π.χ. σύρμα) και έχει ως στόχο την αναίρεση

της εργοσκληρύνσεως. Πραγματοποιείται λίγο κάτω από την ευτηκτοειδή θερμοκρασία Α1.

Αποτατική ανόπτηση (stress relief annealing). Έχει ως στό χο την χαλάρωση των

παραμενουσών τάσεων, που προκαλούνται κυρίως από τις μεταβολές του όγκου, που

προκύπτουν από τους μετασχηματισμούς φάσεων στους χάλυβες. Εφαρμόζεται κυρίως όταν

μετά την βαφή πρόκειται να επακολουθήσει μηχανουργική κατεργασία, διότι εάν μια περιοχή

με παραμένουσες τάσεις αφαιρεθεί μηχανουργικά, τότε το υπόλοιπο στοιχείο

παραμορφώνεται. Επίσης η αποτατική ανόπτηση πραγματοποιείται μετά από συγκολλήσεις

τήξεως για την χαλάρωση των παραμενουσών τάσεων που αναπτύσσονται κατά την

συγκόλληση.

Τώρα θα περάσουμε στην περιγραφή των βασικών θερμικών κατεργασιών για την

ισχυροποίηση των χαλύβων. Στους χάλυβες, οι κατεργασίες ισχυροποιήσεως

πραγματοποιούνται κυρίως για τον σχηματισμό μαρτενσίτη ή και μπαινίτη. Για τον

σχηματισμό μαρτενσίτη, ο χάλυβας θερμαίνεται σε μία θερμοκρασία μεγαλύτερη της Α3. Στη

θερμοκρασία αυτή παραμένει για κάποιο χρονικό διάστημα ώστε να υποστεί ωστενιτοποίηση.

Το μέγεθος του ωστενιτικού κόκκου καθορίζεται από την θερμοκρασία και τον χρόνο

παραμονής. Στην θερμοκρασία αυτή πραγματοοιείται παράλληλα και διαλυτοποίηση των

καρβιδίων των κραματικών στοιχείων που περιέχει ο χάλυβας. Στη συνέχεια ο χάλυβας

υφίσταται βαφή σε κάποιο μέσο (αέρας, λάδι ή νερό) ανάλογα με την εμβαπτότητά του.

Επειδή ο μαρτενσίτης που σχηματίζεται είναι σκληρός αλλά ταυτόχρονα παρουσιάζει χαμηλή

ολκιμότητα, την βαφή ακολουθεί η θερμική κατεργασία της επαναφοράς για την βελτίωση

της ολκιμότητας. Οι βασικότερες κατεργασίες ισχυροποιήσεως είναι:

Βαφή και επαναφορά ( quenching and tempering). Πρόκειται για την κλασική θερμική

κατεργασία για την σκλήρυνση των χαλύβων (καμπύλη 5 στο Σχ.10.30). Για την επιτυχία της

κατεργασίας πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η εμβαπτότητα του χάλυβα σε σχέση με το μέσο

βαφής και το μέγεθος του μηχανολογικού στοιχείου για την αποφυγή ρωγματώσεων βαφής

καθώς και στρεβλώσεων. Η βαφή ακολουθείται από επαναφορά (καμπύλη Ε στο Σχ.10.30)

για την βελτίωση της ολκιμότητας.

Διακοπτόμενη βαφή και επαναφορά (Interrupted quench and tempering). Η βαφφή

διακόπτεται λίγο πάνω από την Ms και συνεχίζεται με χαμηλότερο ρυθμό στην περιοχή του

μαρτενσιτικού μετασχηματισμού (καμπύλη 6 στο Σχ.10.30). Με τον τρόπο αυτό τόσο η

επιφάνεια όσο και το κέντρο του μηχανολογικού στοιχείου ψύχονται ομοιόμορφα και

43

αποφεύγονται οι ρωγματώσεις και στρεβλώσεις. Μετά την βαφή ο χάλυβας υφίσταται

επαναφορά (καμπύλη Ε στο Σχ.10.30).

Austempering. Η κατεργασία αυτή έχει σαν στόχο την ισχυροποίηση του χάλυβα με

σχηματισμό μπαινίτη αντί για μαρτενσίτη. Περιλαμβάνει ωστενιτοποίηση και βαφή σε μία

θερμοκρασία πάνω από την Ms. Στη συνέχεια ο χάλυβας παραμένει στη θερμοκρασία αυτή

για την πραγματοποίηση του μπαινιτικού μετασχηματισμού (καμπύλη 4 στο Σχ.10.30).

Επειδή ο σχηματισμός του μπαινίτη πραγματοποιείται ισόθερμα, δεν υπάρχουν

θερμοκρασιακές διαφορές μεταξύ επιφάνειας και κέντρου και έτσι δεν σχηματίζονται ρωγμές

ή στρεβλώσεις. Τα τελευταία χρόνια οι μπαινιτικοί χάλυβες βρίσκουν όλο και περισσότερες

εφαρμογές στη βιομηχανία λόγω του καλού συνδυασμού αντοχής και ολκιμότητας που

διαθέτουν.

Τώρα θα περάσουμε στην περιγραφή των βασικότερων επιφανειακών κατεργασιών

των χαλύβων. Οι θερμικές κατεργασίες, που συζητήσαμε πιο πάνω, εφαρμόζονται σε όλη την

μάζα του υλικού και επηρεάζουν την μικροδομή σε όλο τον όγκο του μηχανολογικού

στοιχείου. Υπάρχουν όμως περιπτώσεις. όπου σε ένα μηχανολογικό στοιχείο, π.χ σε ένα

οδοντωτό τροχό, μας ενδιαφέρει να σκληρύνουμε την επιφάνεια των οδόντων για να έχουν

αντοχή σε φθορά, ενώ το σώμα του τροχού πρέπει να παραμείνει σχετικά μαλακό ώστε να

έχει την απαιτούμενη ολκιμότητα. Στις περιπτώσεις αυτές εφαρμόζονται διάφορες

επιφανειακές κατεργασίες (surface treatments), οι οποίες επηρεάζουν μόνο την επιφάνεια του

μηχανολογικού στοιχείου. Οι επιφανειακές κατεργασίες, που έχουν αναπτυχθεί, ανέρχονται

σε εκατοντάδες και δεν είναι δυνατόν στα πλαίσια αυτού του κεφαλαίου να παρουσιαστούν

όλες. Για εκτενή παρουσίαση ο αναγνώστης μπορεί να συμβουλευτεί την βιβλιογραφία στο

τέλος του κεφαλαίου. Εδώ θα συζητήσουμε τις βασικότερες επιφανειακές κατεργασίες των

χαλύβων, δηλαδή την επιφανειακή σκλήρυνση, την ενανθράκωση και την εναζώτωση. Η

πρώτη δεν περιλαμβάνει εμπλουτισμό της επιφάνειας με κάποιο κραματικό στοιχείο.

Αντίθετα η ενανθράκωση και η εναζώτωση περιλαμβάνουν εμπλουτισμό με άνθρακα και

άζωτο αντίστοιχα.

Επιφανειακή σκλήρυνση (surface hardening). Οι διάφορες κατεργασίες για επιφανειακή

σκλήρυνση περιλαμβάνουν θέρμανση-ωστενιτοποίηση ενός επιφανειακού στρώματος του

υλικού, ενώ το εσωτερικό παραμένει ψυχρό. Στην συνέχεια ο χάλυβας υφίσταται βαφή ώστε

το επιφανειακό στρώμα να μετασχηματιστεί σε μαρτενσίτη. Με τον τρόπο αυτό το

επιφανειακό στοιχείο αποκτά υψηλή σκληρότητα επιφανειακά ενώ το εσωτερικό του

παραμένει όλκιμο. Την βαφή ακολουθεί η θερμική κατεργασία της επαναφοράς. Οι πιο

συνήθεις τεχνικές για επιφανειακή σκλήρυνση είναι η φλογοβαφή (flame hardening) και η

44

επαγωγική βαφή (induction hardening). Κατά την φλογοβαφή, η θέρμανση του στοιχείου

πραγματοποιείται από καυστήρα με μίγμα οξυγόνου και ασετυλίνης. Στην περίπτωση αυτή το

βάθος βαφής μπορεί να φθάσει τα 10mm. Κατά την επαγωγική βαφή η θέρμανση

πραγματοποιείται με μαγνητική επαγωγή. Ένα πηνίο, συνήθως από σωλήνα χαλκού

περιβάλλει την επιφάνεια του στοιχείου. Το εναλλασσόμενο ρεύμα που ρέει στο πηνίο

δημιουργεί μαγνητικό πεδίο, το οποίο επάγει δινορρεύματα στην επιφάνεια του υλικού. Τα

δινορρεύματα θερμαίνουν την επιφάνεια του χάλυβα και προκαλούν ωστενιτοποίηση του

επιφανειακού στρώματος. Με την τεχνική αυτή είναι δυνατόν να ελεγχθεί καλύτερα το βάθος

βαφής, το οποίο μπορεί να φθάσει τα 20mm. Εκτός από την φλογοβαφή και την επαγωγική

βαφή, πρόσφατα έχουν αναπτυχθεί και άλλες τεχνικές, όπως η επιφανειακή σκλήρυνση με

δέσμη laser. Η επιφανειακή θέρμανση πραγματοποιείται με σάρωση της επιφάνειας από μία

δέσμη laser υψηλής ισχύος, ενώ ακολουθεί αυτοβαφή, κατά την οποία η ψύξη

πραγματοποιείται με αγωγή της θερμότητας προς το εσωτερικό του στοιχείο, το οποίο

παραμένει ψυχρό.

Ενανθράκωση (carburizing). Τόσο η ενανθράκωση όσο και η εναζώτωση, που θα δούμε πιο

κάτω, ανήκουν στις θερμοχημικές κατεργασίες (thermochemical treatments). Με τον όρο αυτό

εννοούμε τις κατεργασίες κατά τις οποίες μεταβάλλεται και η χημική σύσταση σε ένα

επιφανειακό στρώμα του υλικού. Με την ενανθράκωση, η επιφάνεια του χάλυβα

εμπλουτίζεται σε άνθρακα. Όπως έχουμε δει ο άνθρακας αυξανει τόσο την εμβαπτότητα όσο

και την σκληρότητα του σχηματιζόμενου μαρτενσίτη. Ο άνθρακας εισάγεται στην επιφάνεια

του μηχανολογικού στοιχείου με διάχυση από ένα κατάλληλο "περιβάλλον" άνθρακα. Τα

ενανθρακωτικά μέσα που χρησιμοποιούνται μπορεί να είναι στερεά, υγρά και αέρια. Στην

στερεά ενανθράκωση, το στοιχείο καλύπτεται από σκόνη γραφίτη και θερμαίνεται σε υψηλή

θερμοκρασία 900-950oC για να πραγματοποιηθεί η διάχυση του άνθρακα. Στη υγρή

ενανθράκωση το στοιχείο εμβαπτίζεται σε λουτρό τηγμένων ανθρακούχων αλάτων. Στην

αέρια ενανθράκωση, το στοιχείο τοποθετείται σε ειδικό φούρνο με ελεγχόμενη ατμόσφαιρα

μεθανίου ή διοξειδίου του άνθρακα σε συνθήκες τέτοιες ώστε να σχηματιστεί υψηλή

συγκέντρωση άνθρακα στην επιφάνεια του στοιχείου. Στη συνέχεια ο άνθρακας διαχέεται στο

εσωτερικό του χάλυβα. Σε όλες τις περιπτώσεις, την διαδικασία ακολουθεί η βαφή για τον

σχηματισμό μαρτενσίτη στο ενανθρακωμένο στρώμα. Το βάθος ενανθρακώσεως εξαρτάται

από την μέθοδο, την θερμοκρασία και τον χρόνο παραμονής και μπορεί να φθάσει τα 2-3mm.

Στο Σχ.10.31 απικονίζεται μεταλλογραφία χάλυβα, που έχει υποστεί ενανθράκωση.

Εναζώτωση (Nitriding). Η εναζώτωση περιλαμβάνει διάχυση αζώτου σε ένα επιφανειακό

στρώμα χάλυβα. Το άζωτο αλληλεπιδρά τόσο με τον σίδηρο όσο και με άλλα κραματικά

45

στοιχεία που περιέχει ο χάλυβας (π.χ. Al, Cr, Ti) και σχηματίζει νιτρίδια, τα οποία αυξάνουν

την σκληρότητα του επιφανειακού στρώματος. Το στρώμα εναζωτώσεως αποτελείται από

δύο επιμέρους ζώνες, την ζώνη νιτριδίων και την ζώνη διαχύσεως (Σχ.10.32). Η ζώνη

νιτριδίων ονομάζεται και "λευκή ζώνη" από την λευκή εμφάνιση που παρουσιάζει στην

μεταλλογραφική απεικόνιση. Η ζώνη αυτή εκτείνεται σε βάθος έως και 25μm και περιέχει

νιτρίδια του τύπου ε-Fe2-4N. Η ζώνη διαχύσεως αποτελείται από στερεό διάλυμα παρεμβολής

Fe-N, που σχηματίζεται από την διάχυση του αζώτου στον φερρίτη. Επίσης περιέχει και

νιτρίδια του τύπου γ'-Fe4N. Το βάθο ς της ζώνης διαχύσεως εκτείνεται έως και 1mm. Η

σκληρότητα, ανάλογα με την σύνθεση των ζωνών, μπορεί να φθάσει τα 1500-2000HV

(μονάδες Vickers) για την λευκή ζώνη και έως τα 500HV για την ζώνη διαχύσεως. Η

εναζώτωση περιλαμβάνει θέρμανση του χάλυβα σε θερμοκρασία 500-590οC σε "περιβάλλον"

αζώτου. Η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη από αυτήν που χρησιμοποιείται στην

ενανθράκωση και η εναζώτωση πραγματοποιείται στην φερριτική περιοχή, δηλαδή το άζωτο

εισάγεται με διάχυση στον φερρίτη, ενώ κατά την ενανθράκωση ο άνθρακας εισάγεται με

διάχυση στον ωστενίτη. Η εναζώτωση διακρίνεται σε υγρή και αέρια. Στην υγρή εναζώτωση,

το μηχανολογικό στοιχείο εμβαπτίζεται σε λουτρό τηγμένων αζωτούχων αλάτων. Η αέρια

εναζώτωση πραγματοποιείται σε φούρνο με ατμόσφαιρα αμμωνίας. Η υψηλή σκληρότητα

του εναζωτωμένου στρώματος οφείλεται σε (α) στην λεπτομερή και πυκνή διασπορά

νιτριδίων μεγέθους 5-15nm, (β) υψηλή πυκνότητα γραμμοαταξιών και (γ) ισχυροποίηση

στερεού διαλύματος λόγω της υψηλής συγκεντρώσεως αζώτου σε θέσεις παρεμβολής στο

φερριτικό πλέγμα. Η υψηλή σκληρότητα προσδίδει στο εναζωτωμένο στρώμα εξαιρετική

αντίσταση στη φθορά. Παράλληλα ο σχηματισμός των νιτριδίων επιφέρει ανάπτυξη

θλιπτικών παραμενουσών τάσεων, που οδηγούν στην αύξηση της αντοχής σε κόπωση. Η

εναζώτωση αποτελεί τελική κατεργασία και επομένως η απαιτούμενη θερμική κατεργασία

(βαφή και επαναφορά) για την διαμόρφωση των μηχανικών ιδιοτήτων του μηχανολογικού

στοιχείου πρέπει να πραγματοποιηθεί πριν από την εναζώτωση. Βασικές εφαρμογές της

εναζωτώσεως είναι οι στροφαλοφόροι και εκκεντροφόροι άξονες καθώς και χιτώνια

κυλίνδρων και έδρες βαλβίδων των μηχανών εσωτερικής καύσεως, εργαλειοχάλυβες

κατεργασιών διαμορφώσεως (π.χ. μήτρες διελάσεως αλουμινίου), οδοντωτοί τροχοί κ.λ.π.

46

Case Study: Περλιτικοί Χάλυβες Σιδηροτροχιών

Όλοι γνωρίζουμε την σημασία του σιδηροδρόμου στις καθημερινές μας μεταφορές. Για την

κατασκευή των σιδηροτροχιών χρησιμοποιείται χάλυβας. Οι βασικές απαιτήσεις από έναν

χάλυβα για σιδηροτροχιές είναι (α) μεγάλη αντοχή εφελκυσμού, (β) μεγάλη αντίσταση σε

φθορά, (γ) αντοχή σε κόπωση και (δ) συγκολλησιμότητα. Η περλιτική μικροδομή συνδυάζει

σε μεγάλο βαθμό τις παραπάνω ιδιότητες. Για τον λόγο αυτό οι περλιτικοί χάλυβες

χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή σιδηροτροχιών, τόσο για τους υπέργειους

σιδηροδρόμους όσο και για τους υπόγειους σιδηροδρόμους (μετρό). Οι χάλυβες

σιδηροτροχιών καλύπτονται από διεθνείς προδιαγραφές, όπως για παράδειγμα οι

προδιαγραφές UIC. Ενας χάλυβας, που έχει ευρεία εφαρμογή σε συμβατικούς

σιδηροδρόμους, είναι κατά UIC-860 ο χάλυβας Grade 700 με 0.4-0.6%C και μέγιστη αντοχή

εφελκυσμού 680-730MPa.

Η διάρκεια ζωής των σιδηροτροχιών περιορίζεται από την φθορά του υλικού στην επιφάνεια

επαφής με τον τροχό, που έχει σαν αποτέλεσμα την μεταβολή του προφίλ της κεφαλής της

σιδηροτροχιάς. Η αντοχή σε φθορά είναι ανάλογη της σκληρότητας του υλικού. Για τον λόγο

αυτό τα τελευταία χρόνια έχει καταβληθεί προσπάθεια για ανάπτυξη χαλύβων σιδηροτροχιών

με μεγαλύτερη σκληρότητα. Όπως είδαμε πιο πάνω, η σκληρότητα του περλίτη εξαρτάται

από την ενδολαμελική απόσταση λp. Μάλιστα στην περίπτωση αυτή ισχύει μια σχέση τύπου

Hall-Petch, που για την περίπτωση των χαλύβων σιδηροτροχιών2

1/ 2( )o pHV HV ζ λ −= +

είναι

όπου HV η σκληρότητα σε Kg/mm2, HVo=150Kg/mm2, ζ=2.15Kg/mm3/2 και λp η

ενδολαμελική απόσταση σε mm. Η παραγωγή πιο λεπτομερούς (με μικρότερο λp) περλιτικής

δομής οδηγεί σύμφωνα με την πιο πάνω σχέση σε αύξηση της σκληρότητας και επομένως σε

μεγαλύτερη αντίσταση σε φθορά. Η ενδολαμελική απόσταση εξαρτάται από την θερμοκρασία

του μετασχηματισμού γ→P. Η αύξηση της περιεκτικότητας των χαλύβων σε άνθρακα και σε

μαγγάνιο προκαλεί μείωση της θερμοκρασίας μετασχηματισμού. Οι χάλυβες αυτοί

χρησιμοποιούνται σε σιδηροτροχιές με αυξημένη συχνότητα διελεύσεως συρμών καθώς και

αυξημένες ταχύτητες. Ενας χάλυβας της κατηγορίας αυτής, με μεγαλύτερη αντοχή σε φθορά

είναι κατά UIC-860 ο χάλυβας Grade 900A με 0.8%C και μέγιστη αντοχή εφελκυσμού 880-

1030 MPa. Ο χάλυβας αυτός έχει περλιτική δομή με μικρή ενδολαμελική απόσταση. Η

μικροδομή του χάλυβα φαίνεται στο Σχ.10.33. Η χρήση του χάλυβα Grade 900A έχει

2 A.J. Perez and J.H. Beynon, Wear, Vol. 162-164 (1993) p.173-182.

47

επιφέρει θεαματική αύξηση της διάρκειας ζωής των σιδηροτροχιών. Όμως στις περιπτώσεις

βαρειάς κυκλοφορίας, με μεγάλη συχνότητα διελεύσεως συρμών, υψηλές ταχύτητες και

κλειστές στροφές, έχουν αναφερθεί αστοχίες σιδηροτροχιών όχι από φθορά, αλλά από

κόπωση και συγκεκριμένα από κόπωση επαφής κυλίσεως RCF (Rolling Contact Fatigue).

Λεπτές ρωγμές αναπτύσσονται μερικά mm κάτω από την επιφάνεια κυλίσεως και οδηγούν

είτε σε αποκολλήσεις τμημάτων της σιδηροτροχιάς είτε σε πλήρη θραύση της διατομής. Ένα

χαρακτηριστικό παράδειγμα ρωγμών RCF φαίνεται στο Σχ.10.34. Στους χάλυβες με

χαμηλότερη σκληρότητα ( όπως ο Grade 700), το φαινόμενο δεν εξελίσσεται αφού οι ρωγμές

RCF δεν προλαβαίνουν να αναπτυχθούν λόγω της ταχύτερης φθοράς του υλικού. Το

φαινόμενο αντιμετωπίζεται με διάφορες μεθόδους όπως (α) μη καταστρεπτικό έλεγχο (NDT)

των σιδηροτροχιών με υπέρηχους για τον έγκαιρο εντοπισμό των ρωγμών και (β) προληπτική

λείανση των σιδηροτροχιών για την απομάκρυνση των ρωγμών πριν αυτές αποκτήσουν

κρίσιμο μέγεθος.

Case Study: Χάλυβες για την αυτοκινητοβιομηχανία

Ο χάλυβας αποτελεί πάνω από το 70% του βάρους ενός αυτοκινήτου. Στο ποσοστό αυτό

περιλαμβάνονται ο κινητήρας, το κιβώτιο ταχυτήτων, οι αναρτήσεις και φυσικά η λαμαρίνα

από την οποία κατασκευάζονται οι πόρτες, το δάπεδο, η οροφή και τα καπώ της μηχανής και

του χώρου αποσκευών. Στο παρόν case study θα ασχοληθούμε με την λαμαρίνα, αφού

συμμετέχει με το μεγαλύτερο ποσοστό στο βάρος του αυτοκινήτου. Οι χάλυβες που

χρησιμοποιούνται για την κατασκευή της λαμαρίνας πρέπει, εκτός των άλλων, να

ικανοποιούν τρεις σημαντικές απαιτήσεις: (α) υψηλή αντοχή, (β) διαμορφωσιμότητα

(formability) και (γ) συγκολλησιμότητα. Οι απαιτήσεις αυτές δεν είναι δυνατόν να

ικανοποιηθούν ταυτόχρονα σε μεγάλο βαθμό από ένα συγκεκριμένο χάλυβα. Ετσι

αναγκαστικά γίνεται συμβιβασμός ανάμεσα στις ιδιότητες. Για παράδειγμα, η απαίτηση της

συγκολλησιμότητας θέτει ένα άνω όριο στην περιεκτικότητα σε άνθρακα (περίπου 0.2%max)

Αυτό σημαίνει ότι για την αύξηση της αντοχής του χάλυβα πρέπει να αναζητηθούν άλλοι

μηχανισμοί ισχυροποίησης πέρα από την ισχυροποίηση που προσφέρει ο άνθρακας. Από τη

άλλη μεριά ή αύξηση της αντοχής συνοδεύεται από μείωση της ολκιμότητας και κατά

συνέπεια της διαμορφωσιμότητας, η οποία είναι σημαντικός παράγοντας αφού για την

κατασκευή του αυτοκινήτου εφαρμόζονται κατεργασίες διαμορφώσεων όπως η βαθεία

κοίλανση (deep drawing) και η τάνυση (stretch forming).

Επιπρόσθετα στις απαιτήσεις που επιβάλλει το ίδιο το προϊόν, έχουν επιβληθεί και

γενικότερες απαιτήσεις στο αυτοκίνητο, που με την σειρά τους επηρεάζουν την ανάπτυξη

48

νέων χαλύβων. Οι κυριότερες από αυτές είναι: (α) χαμηλή κατανάλωση καυσίμου και (β)

μειωμένη παραγωγή αέριων ρύπων. Και οι δύο απαιτήσεις ωθούν προς την κατεύθυνση της

μείωσης του βάρους του οχήματος είτε με την χρήση ελαφρύτερων υλικών (π.χ αλουμίνιο,

μαγνήσιο) είτε με την ανάπτυξη χαλύβων υψηλής αντοχής , ώστε με την χρήση λαμαρίνας

μικρότερου πάχους να επιτυγχάνεται εξοικονόμηση βάρους.

Τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί διάφορες κατηγορίες χαλύβων, που ανταποκρίνονται

με τον ένα ή τον άλλο τρόπο στις πιο πάνω απαιτήσεις. Οι χάλυβες αυτοί είναι (α) οι

μικροκραματωμένοι χάλυβες υψηλής αντοχής, (β) οι χάλυβες διπλής φάσεως και (γ) οι

χάλυβες TRIP. Θα συζητήσουμε πως διαμορφώνεται η μικροδομή των χαλύβων αυτών ώστε

οι χάλυβες να αποκτήσουν τις επιθυμητές ιδιότητες .

Μικροκραματωμένοι χάλυβες υψηλής αντοχής (High-Strength Low-Alloy Steels, HSLA).

Οι χάλυβες HSLΑ έχουν κατ' αρχήν χαμηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα (0.03-0.15%κβ)

ώστε να διαθέτουν συγκολλησιμότητα και επαρκή διαμορφωσιμότητα. Το κύριο

χαρακτηριστικό τους είναι ότι διαθέτουν μικροποσότητες (όχι πάνω από 0.2%) κραματικών

στοιχείων για τον σχηματισμό καρβιδίων και νιτριδίων. Τα σημαντικότερα κραματικά

στοιχεία είναι τα Nb, V και Ti, τα οποία σχηματίζουν καρβίδια (π.χ. NbC, VC, TiC), νιτρίδια

(π.χ. AlN, VN) και καρβονιτρίδια (π.χ. V(CN), Nb(CN), Ti(CN), (Nb,Ti)CN, (NB,V)CN,

κ.λ.π). Τα σωματίδια αυτά παρεμποδίζουν την ανακρυστάλλωση του ωστενίτη κατά την

θερμή κατεργασία του χάλυβα (π.χ θερμή έλαση). Αυτό έχει σαν συνέπεια την διατήρηση του

μεγέθους του ωστενιτικού κόκκου σε χαμηλά επίπεδα, ώστε κατά τον μετασχηματισμό να

προκύψει λεπτόκοκκος φερρίτης. Πρόκειται επομένως για ισχυροποίηση με σύνορα κόκκων,

οπότε σύμφωνα με την σχέση Hall-Petch (βλ. Κεφ.8), το όριο διαρροής των χαλύβων αυτών

είναι

1/ 2y o yk dσ σ −= +

όπου d είναι το μέσο μέγεθος του φερριτικού κόκκου. Οι χάλυβες HSLA έχουν μεν υψηλή

αντοχή και δυσθραυστότητα, μειονεκτούν όμως σε διαμορφωσιμότητα και έτσι δεν

μορφοποιούνται εύκολα σε ψυχρές κατεργασίες διαμορφώσεων (π.χ. βαθεία κοίλανση).

Χάλυβες διπλής φάσεως (Dual-Phase Steels, DP).

Όπως δηλώνει το όνομά τους, οι χάλυβες DP αποτελούνται από μίγμα δύο φάσεων, μαλακού

φερρίτη (μήτρα) και διασπορά σκληρού μαρτενσίτη. Είναι ο συνδυασμός αυτός που

προσδίδει στον χάλυβα εξαιρετικές ιδιότητες. Η αντοχή των χαλύβων αυτών είναι ανάλογη

49

του ποσοστού του μαρτενσίτη, που περιέχουν. Το κύριο, όμως, χαρακτηριστικό τους είναι το

σχετικά χαμηλό όριο διαρροής , λόγω του φερρίτη, σε συνδυασμό με μεγάλη

εργοσκλήρυνση, (σy/σUTS περίπου 0.5), λόγω του μαρτενσίτη. Τα χαρακτηριστικά αυτά

οδηγούν σε σταθεροποίηση της πλαστικής ροής και σε μεγάλες ομοιόμορφες παραμορφώσεις

με αποτέλεσμα την αύξηση της διαμορφωσιμότητας. Ετσι οι χάλυβες DP διαθέτουν

υψηλότερη διαμορφωσιμότητα από τους χάλυβες HSLA. Η κατεργασία των χαλύβων DP

περιλαμβάνει ενδοκρίσιμη ανόπτηση (intercritical annealing) στην διφασική περιοχή α+γ,

μεταξύ των θερμοκρασιών Α1 και Α3. Κατά την διάρκεια της ανοπτήσεως, ο άνθρακας

διαχέεται στον ωστενίτη αυξάνοντας έτσι την εμβαπτότητά του. Ετσι κατά την ψύξη στην

θερμοκρασία δωματίου, ο ωστενίτης μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη. Μία τυπική

μικροδομή χάλυβα διπλής φάσεως φαίνεται στο Σχ.10.35, όπου με σκούρο χρώμα

απεικονίζεται ο μαρτενσίτης.

Χάλυβες TRIP (Transformation Induced Plasticity Steels)

Οι χάλυβες TRIP περιέχουν τρείς φάσεις: φερρίτη, μπαινίτη και παραμένοντα ωστενίτη.

Στους χάλυβες αυτούς γίνεται αξιοποίηση του φαινομένου TRIP, το οποίο συζητήσαμε στο

Κεφ.6. Εκεί είδαμε ότι ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι δυνατόν να ενεργοποιηθεί με

την εφαρμογή μηχανικών τάσεων ή πλαστικών παραμορφώσεων. Το φαινόμενο TRIP

συνοδεύεται από σταθεροποίηση της πλαστικής ροής με συνέπεια την αύξηση της

ομοιόμορφης παραμορφώσεως και της διαμορφωσιμότητας. Η πλαστικότητα

μετασχηματισμού (transformation plasticity) εμφανίζεται κατά την ψυχρή διαμόρφωση ενός

χάλυβα που περιέχει διασπορά παραμένοντα ωστενίτη. Κατά την διαμόρφωση (βαθεία

κοίλανση ή τάνυση), ο παραμένων ωστενίτης μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη αυξάνοντας

έτσι την διαμορφωσιμότητα του χάλυβα. Οσον αφορά στην κατεργασία για την διαμόρφωση

της μικροδομής των χαλύβων TRIP, η σημαντικότερη προϋπόθεση είναι η διατήρηση

διασποράς ωστενίτη σε θερμοκρασία δωματίου. Τα στάδια της θερμικής κατεργασίας

φαίνονται στο Σχ. 10.36. Η αρχική μικροδομή ενός χάλυβα TRIP με τυπική σύσταση Fe-

0.2C-1Mn-1Si είναι φερριτοπερλιτική. Ο χάλυβας υφίσταται ενδοκρίσιμη ανόπτηση, μεταξύ

των θερμοκρασιών Α1 και Α3, για τον σχηματισμό μίγματος φερρίτη και ωστενίτη σε

ποσοστά περίπου 50%. Στη συνέχεια ο χάλυβας φέρεται σε χαμηλότερη θερμοκρασία (π.χ.

400oC) για τον ισόθερμο μετασχηματισμό του ωστενίτη σε μπαινίτη. Λόγω της σχετικά

υψηλής περιεκτικότητας σε πυρίτιο (Si), αποτρέπεται ο σχηματισμός σεμεντίτη κατά την

διάρκεια του μπαινιτικού μετασχηματισμού. Ετσι ο άνθρακας που αποβάλλεται από τον

μπαινίτη περιέρχεται στον υπολειπόμενο ωστενίτη. Ο εμπλουτισμός του ωστενίτη σε

50

λανθρακα μειώνει την θερμοκρασία Ms σε τιμές κάτω από την θερμοκρασία δωματίου. Η

ισόθερμη παραμονή στους 400oC διακόπτεται πριν ολοκληρωθεί ο μπαινιτικός

μετασχηματισμός και να παραμείνει ένα ποσοτό της τάξεως του 10% ωστενίτη. Ο ωστενίτης

αυτός δεν μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη κατά την ψύξη του χάλυβα σε θερμοκρασία

δωματίου, διότι όπως είπαμε έχει σταθεροποιηθεί από τον άνθρακα. Είναι αυτός ο παραμένων

ωστενίτης, που κατά την ψυχρή διαμόρφωση του χάλυβα εμφανίζει το φαινόμενο TRIP και

οδηγεί σε αύξηση της διαμορφωσιμότητας. Μία τυπική μικροδομή χάλυβα TRIP φαίνεται

στο Σχ.10.37, όπου με έντονο λευκό χρώμα διακρίνονται τα σωματίδια του παραμένοντα

ωστενίτη.

Στο Σχ. 10.38 φαίνεται το διάγραμμα επιμηκύνσεως-αντοχής, όπου γίνεται μία σύγκριση των

χαλύβων HSLA, DP και TRIP που συζητήσαμε πιο πάνω. Είναι φανερό ότι οι χάλυβες TRIP

εμφανίζουν ένα καλύτερο συνδυασμό αντοχής και διαμορφωσιμότητας από τους άλλους

χάλυβες.

ΟΡΙΣΜΟΙ Φερρίτης (ferrite): Το στερεό διάλυμα α-Fe με άνθρακα Ωστενίτης (austenite): Το στερεό διάλυμα γ-Fe με άνθρακα ε-καρβίδιο (ε-carbide): Καρβίδιο του σιδήρου με σύσταση μεταξύ Fe2.4C και Fe3C που σχηματίζεται κατά την επαναφορά ή γήρανση του χάλυβα σε θερμοκρασία μικρότερη των 200°C. Σεμεντίτης (cementite): Το καρβίδιο του σιδήρου Fe3C με ορθορομβική δομή. Περλίτης (pearlite): μίγμα φάσεων φερρίτη και σεμεντίτη, προϊόν της ευτηκτοειδούς αντιδράσεως Ανθρακοχάλυβες (carbon steels): Χάλυβες που περιέχουν μόνον άνθρακα. Η ύπαρξη τυχόν μικροποσοτήτων από άλλα στοιχεία δεν επηρεάζει τη διαμόρφωση της δομής τους. Ευτηκτοειδής χάλυβας (eutectoid steel): ανθρακοχάλυβας με περιεκτικότητα 0.8%κ.β. άνθρακα Υποευτηκτοειδής χάλυβας (hypoeutectoid steel): ): ανθρακοχάλυβας με περιεκτικότητα μικρότερη από 0.8%κ.β. άνθρακα Υπερευτηκτοειδής χάλυβας (hypereutectoid steel): ): ανθρακοχάλυβας με περιεκτικότητα μεγαλύτερη από 0.8%κ.β. άνθρακα Σταθεροποιητές-γ (austenite stabilizers): Κραματικά στοιχεία (Ni, Mn) που σταθεροποιούν τον ωστενίτη και σχηματίζουν ανοικτό ωστενιτικό πεδίο στο διάγραμμα φάσεων. Σταθεροποιητές-α (ferrite stabilizers): Κραματικά στοιχεία (Si, Al, Be, P, V, Cr, Ti, Mo, W) που σταθεροποιούν τον φερρίτη και σχηματίζουν ωστενιτικό βρόχο στο διάγραμμα φάσεων. Προευτηκτοειδής φερρίτης (proeutectoid ferrite): Ο φερρίτης που σχηματίζεται κατά την ψύξη ενός υποευτηκτοειδούς χάλυβα μεταξύ των θερμοκρασιών Α3 και Α1. Σχέση προσανατολισμού (orientation relationship): Η σχέση μεταξύ κρυσταλλικών επιπέδων και διευθύνσεων μεταξύ μητρικής και θυγατρικής φάσεως σε ένα μετασχηματισμό. Ωστενιτοποίηση (Austenitizing): Θερμική κατεργασία που περιλαμβάνει θέρμανση του χάλυβα πάνω από την θερμοκρασία Α3 για την μετατροπή του χάλυβα σε ωστενίτη Βαφή (quenching): Η απότομη ψύξη του χάλυβα από την ωστενιτική περιοχή για τον σχηματισμό μαρτενσίτη. Αθερμικός μετασχηματισμός (athermal transformation): Χαρακτηριστικό του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού σύμφωνα με το οποίο ο μαρτενσίτης σχηματίζεται κατά τη συνεχή ψύξη του χάλυβα μεταξύ των θερμοκρασιών Ms και Mf. Θερμοκρασία Ms: Η θερμοκρασία στην οποία ξεκινά ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός, όπου η κινούσα δύναμη αποκτά μια κρίσιμη τιμή για την υπέρβαση του ενεργειακού φράγματος για την πυρήνωση μαρτενσίτη

51

Παραμένων ωστενίτης (retained austenite): Ο ωστενίτης που δεν μετασχηματίζεται σε μαρτενσίτη κατά τη βαφή ενός χάλυβα. Μπαινίτης (bainite): Η δομή που προκύπτει από μετασχηματισμό του ωστενίτη στη θερμοκρασιακή περιοχή Ms<T<550°C. Διακρίνεται σε άνω και κάτω μπαινίτη. Διάγραμμα IΤ: Διάγραμμα θερμοκρασίας – χρόνου στο οποίο αποτυπώνεται η έναρξη και η λήξη των ισόθερμων μετασχηματισμών των χαλύβων. Διάγραμμα CCT: Διάγραμμα θερμοκρασίας – χρόνου στο οποίο αποτυπώνεται η έναρξη και η λήξη των μετασχηματισμών κατά τη συνεχή ψύξη των χαλύβων. Εμβαπτότητα (hardenability): Η ευκολία ενός χάλυβα να σχηματίζει μαρτενσίτη κατά την βαφή. Ρωγμές βαφής (quench cracks): Μικρορωγμές που σχηματίζονται κατά την βαφή σε δραστικά μέσα βαφής Επαναφορά (tempering): Οι μεταβολές στη δομή ενός χάλυβα που προκύπτουν από τη θέρμανσή του μετά τη βαφή. Η επαναφορά προδίδει ολκιμότητα στον χάλυβα με μικρή σχετικά μείωση της σκληρότητας. Αυτοεπαναφορά (autotempering): Επαναφορά που συμβαίνει κατά τη βαφή του χάλυβα, ιδιαίτερα όταν αυτός έχει υψηλή θερμοκρασία Ms. Δευτερογενής σκλήρυνση (secondary hardening): Η αύξηση της σκληρότητας κατά την επαναφορά των χαλύβων που περιέχουν καρβιδιογόνα στοιχεία (Cr, Mo, W, V). Οφείλεται στην καθίζηση καρβιδίων MxCy, που αντικαθιστούν τον σεμεντίτη. Ανόπτηση (Annealing): Θερμική κατεργασία με στόχο να μαλακώσει το υλικό και να αυξηθεί η ολκιμότητα και η δυσθραυστότητα Βαφή και επαναφορά (quenching and tempering): Η βασική θερμική κατεργασία για την σκλήρυνση των χαλύβων. Περιλαμβάνει ωστενιτοποίηση, βαφή για μαρτενσιτικό μετασχηματισμό του ωστενίτη και επαναφορά του μαρτενσίτη για αύξηση της ολκιμότητας Επιφανειακές κατεργασίες (Surface treatments): Κατεργασίες που επηρεάζουν μόνον την επιφάνεια ενός μηχανολογικού στοιχείου Ενανθράκωση (carburizing): Ο εμπλουτισμός της επιφάνειας με άνθρακα, που οδηγεί στην αύξηση της επιφανειακής σκληρότητας Εναζώτωση (Nitriding): Ο εμπλουτισμός της επιφάνειας με άζωτο, που οδηγεί στην αύξηση της επιφανειακής σκληρότητας ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ • R. W. K. Honeycombe, H. K. D. H. Bhadeshia, Steels: Microstructures and Properties, Edward Arnold, UK,

1995. • D. T. Llewellyn, Steels: Metallurgy and Applications, Butterworth-Heinemann, UK, 1992. • H. K. D. H. Bhadeshia, Bainite in Steels, The Institute of Materials, UK, 1992. • K. E. Thelning, Steel and its Heat Treatment, Butterworths, 1984. • E. Hornbogen, Physical Metallurgy of Steels, Ch.16 in Physical Metallurgy, R.W. Cahn, P. Haasen (eds),

Elsevier Science Publishers, 1983 • G. Krauss, Steels: Heat Treatment and Processing Principles, American Society of Metals, Materials Park,

Ohio, USA, 1994. • A.K. Sinha, Physical Metallurgy Handbook, Chapter 2: Diffusion in Metals and Alloys, McGraw Hill, New

York, 2003

ΑΣΚΗΣΕΙΣ

1. (α)Περιγράψτε τα σημαντικά χαρακτηριστικά του μοντέλου παραμόρφωσης αμετάβλητου επιπέδου (IPS) της κρυσταλλογραφίας του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού στον σίδηρο. (β) Γιατί ο μαρτενσίτης που σχηματίζεται στους χάλυβες με υψηλή περιεκτικότητα σε άνθρακα ( π.χ. 0.6%wt C) είναι τετραγωνικός; 2. (α) Συζητείστε με συντομία τι εννοούμε με τον όρο εμβαπτότητα ενός χάλυβα (β) Περιγράψτε πως η εμβαπτότητα εξαρτάται από τη σύσταση του χάλυβα λαμβάνοντας υπόψη τόσο τον άνθρακα όσο και στοιχεία αντικαταστάσεως

52

(γ)Πρόσφατα στην Ιαπωνία αναπτύχθηκαν οι χάλυβες επιταχυνόμενης ψύξεως (accelerated cooled steels). Αυτοί οι χάλυβες ψύχονται στο νερό από τους 800 στους 500οC αμέσως μετά την θερμή έλαση. Η ψύξη διακόπτεται πριν τον σχηματισμό του μαρτενσίτη. Το τελικό προϊόν έχει λεπτότερο φερριτικό κόκκο και επομένως μεγαλύτερο όριο διαρροής από τους χάλυβες με την ίδια σύσταση αλλά με συμβατική ψύξη. Κατά την μελέτη το υ μετασχηματισμού του ωστενίτη σε φερρίτη/περλίτη κατά την επιταχυνόμενη ψύξη μετά από θερμή έλαση έχει επισημανθεί ότι η επιταχυνόμενη ψύξη επιβραδύνει τον φερριτοπερλιτικό μετασχηματισμό τουλάχιστον δύο φορές σε σχέση με τον ίδιο χάλυβα ο οποίος ψύχεται στη θερμοκρασία δωματίου, επαναθερμαίνεται στην ωστενιτική περιοχή χωρίς έλαση και αφήνεται να μετασχηματιστεί σε φερρίτη/περλίτη. Με βάση τις γνώσεις σας στους μετασχηματισμούς φάσεων μπορείτε να εξηγήσετε τον βραδύτερο μετασχηματισμό του χάλυβα που έχει υποστεί μηχανική παραμόρφωση μόλις πριν τον μετασχηματισμό του; (Σημείωση: Σημειώστε τους παράγοντες που επιδρούν στην ταχύτητα πυρήνωσης και στην ταχύτητα ανάπτυξης και σχολιάστε αν αυτοί οι παράγοντες επιταχύνουν ή επιβραδύνουν τον μετασχηματισμό) 3. Δύο δοκίμια Α και Β από ευτηκτοειδή χάλυβα 1080 υποβλήθηκαν στις ακόλουθες κατεργασίες: Δοκίμιο Α: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, ταχεία ψύξη στους 630οC, παραμονή για 10sec και βαφή στη θερμοκρασία δωματίου Δοκίμιο Β: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, ταχεία ψύξη στους 350οC, παραμονή για 1h και βαφή στη θερμοκρασία δωματίου (α) Περιγράψτε τα βασικά χαρακτηριστικά των μικροδομών στα δύο δοκίμια στο τέλος της κατεργασίας (β) Για κάθε δοκίμιο περιγράψτε πως διαμορφώνεται η μικροδομή. (γ) Συγκρίνετε την εφελκυστική συμπεριφορά τάσης-παραμόρφωσης των δύο δοκιμίων. Από ποια χαρακτηριστικά της μικροδομής ελέγχεται αυτή η συμπεριφορά; (δ) Τι μπορεί να γίνει στο δοκίμιο Β για να βελτιωθεί η δυσθραυστότητά του; 4. Στην κατασκευή πολλών χαλύβδινων στοιχείων μηχανών όπως στροφαλοφόροι άξονες ή οδοντωτοί τροχοί, είναι επιθυμητό το στοιχείο να έχει μαλακό και δύσθραυστο πυρήνα ενώ ταυτόχρονα να διαθέτει μία σκληρή επιφάνεια με μεγάλη αντίσταση στη φθορά. Περιγράψτε τουλάχιστον τρείς μεθόδους για την κατασκευή στοιχείων μηχανών με αυτές τις επιθυμητές ιδιότητες. Σχολιάστε τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της κάθε μεθόδου. 5. Οι παρακάτω ερωτήσεις αφορούν μετασχηματισμούς φάσεων σε χάλυβες: (α) Τι είναι ο παραμένων ωστενίτης; Πώς μπορεί να περιοριστεί ο παραμένων ωστενίτης σε ένα τεμάχιο χάλυβα το οποίο υπέστη σκλήρυνση; Το ποσοστό παραμένοντα ωστενίτη είναι μεγαλύτερο σε ένα χάλυβα με 0.2%κ.β C η σε ένα χάλυβα με 0.6%κ.β.C; (β) Η σκληρότητα του μαρτενσίτη εξαρτάται κυρίως από την περιεκτικότητα σε άνθρακα. Για ποιο λόγο προστίθενται άλλα κραματικά στοιχεία; (γ) Διακρίνετε μεταξύ της σκληρότητας και της εμβαπτότητας ενός χάλυβα. (δ) Πως επηρεάζει το μέγεθος του ωστενιτικού κόκκου την εμβαπτότητα των χαλύβων; (ε) Με την προσθήκη ποιών από τα παρακάτω κραματικά στοιχεία μειώνεται η θερμοκρασία Ms ; (Mo, Si, Cr, Mn, V, Ni). Γιατί συμβαίνει αυτό; (στ) Να αναφέρετε τα κυριότερα στάδια της επαναφοράς των χαλύβων. (ζ) Τι ακριβώς είναι η δευτερογενής σκλήρυνση (κατά την επαναφορά των χαλύβων);

53

6. Θεωρείστε ένα χάλυβα με ευτηκτοειδή σύσταση, ο οποίος έχει ψυχθεί στον αέρα (αργά) από την ωστενιτική περιοχή. Ας υποθέσουμε ότι ο χάλυβας αυτός υφίσταται ανόπτηση σε μία θερμοκρασία λίγο κάτω από την ευτηκτοειδή. (α) Περιγράψτε την μικροδομή του χάλυβα πριν την ανόπτηση (β) Περιγράψτε τις μεταβολές στη μικροδομή με την πρόοδο της ανοπτήσεως (γ) Εξηγείστε τις μεταβολές στη μικροδομή με βάση θερμοδυναμικά και κινητικά κριτήρια. Περιγράψτε πως θα καταστρώνατε ένα ποσοτικό μοντέλο για την περιγραφή της παρατηρούμενης κινητικής. (δ) Να κάνετε μία εκτίμηση για την μεταβολή της σκληρότητας του κράματος με τον χρόνο ανοπτήσεως (ε) Εξηγείστε την απάντησή σας στο ερώτημα (δ) χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο αταξιών. 7. Μια ράβδος κυκλικής διατομής διαμέτρου 25mm είναι κατασκευασμένη από ευτηκτοειδή χάλυβα (0.8%C). Η ράβδος θερμαίνεται στους 900οC για μία ώρα και στη συνέχεια βάφεται σε λάδι. Μεταλλογραφική εξέταση μετά την βαφή έδειξε ότι υπάρχουν μαρτενσίτης, μπαινίτης και περλίτης. (α) Σχεδιάστε την διατομή της ράβδου και σημειώστε που περιμένετε να βρεθούν τα συστατικά αυτά. (β) Σχεδιάστε το προφίλ σκληρότητας από την περιφέρεια προς το κέντρο της ράβδου (γ) Η ράβδος υφίσταται επαναφορά στους 500οC για μία ώρα. Σχεδιάστε τώρα το προφίλ σκληρότητας στο ίδιο διάγραμμα με το ερώτημα (β) για σύγκριση. (δ) Με ποια θερμική κατεργασία μπορούμε να μετατρέψουμε την μικροδομή της ράβδου σε 100% περλίτη; (ε) Υποθέστε ότι η ράβδος περιέχει εκτός του 0.8C και 2Mn , 1Cr (%κ.β). Η ράβδος θερμαίνεται στους 900οC και στη συνέχεια βάφεται σε λάδι όπως και η προηγούμενη ράβδος. Ποια βασική διαφορά θα διαπιστώσουμε με την μεταλλογραφική ανάλυση στη νέα ράβδο; 8. Ενας απλός ανθρακοχάλυβας χρησιμοποιείται ως κοπτικό εργαλείο για την μηχανουργική κατεργασία ζαντών αλουμινίου. Η συμπεριφορά του είναι πολύ καλή αλλά τα δελτία παραγγελίας έχουν χαθεί και δεν γνωρίζουμε την χημική του σύσταση (περιεκτικότητα σε άνθρακα) για να παραγγείλουμε περισσότερο υλικό. Μία μεταλλογραφική εξέταση έδειξε ότι η δομή του είναι 100% επαναφερμένος μαρτενσίτης. Δεδομένου ότι δεν έχουμε στη διάθεσή μας συσκευή χημικής ανάλυσης, με ποιο τρόπο μπορούμε να προσδιορίσουμε κατά προσέγγιση την περιεκτικότητα του χάλυβα σε άνθρακα; 9. Οι χάλυβες διπλής φάσεως (φερρίτη-μαρτενσίτη) παρουσιάζουν ένα πολύ καλό συνδυασμό ιδιοτήτων. Ο μαρτενσίτης προσφέρει αντοχή ενώ ο φερρίτης προσφέρει ολκιμότητα και δυσθραυστότητα. Ετσι δεν είναι παράξενο που οι χάλυβες αυτοί χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην αυτοκινητοβιομηχανία. (α) Περιγράψτε τα βασικά χαρακτηριστικά των δύο αυτών φάσεων (κρυσταλλική δομή, όρια στερεάς διαλυτότητας, κ.λ.π) (β) Σε τι ομοιάζουν και σε τι διαφέρουν οι δύο αυτές φάσεις; (γ) Περιγράψτε μια θερμική κατεργασία για την παραγωγή ενός χάλυβα διπλής φάσεως ( 50% φερρίτης και 50% μαρτενσίτης) στον οποίο ο μαρτενσίτης να περιέχει 0.6% άνθρακα. 10. Στις παρακάτω περιπτώσεις χαλύβων εκτιμείστε την περιεκτικότητα σε άνθρακα του χάλυβα και το εάν ο χάλυβας είναι υπο- ή υπερευτηκτοειδής: (α) Χάλυβας 1, που περιέχει 8% σεμεντίτη και 92% φερρίτη σε θερμοκρασία δωματίου (β) Χάλυβας 2, που περιέχει 18% σεμεντίτη και 82% φερρίτη σε θερμοκρασία δωματίου

54

(γ) Χάλυβας 3, που περιέχει 18% περλίτη και 82% προευτηκτοειδή φερρίτη σε θερμοκρασία δωματίου (δ) Χάλυβας 4, που περιέχει 94% περλίτη και 6% προευτηκτοειδή σεμεντίτη σε θερμοκρασία δωματίου. 11. Θεωρείστε το διάγραμμα ΙΤ ενός ευτηκτοειδούς χάλυβα. (α) Ποια είναι η σύσταση και από τι φάσεις αποτελείται ο συγκεκριμένος χάλυβας μετά από πολύ αργή ψύξη; (β) Τέσσερα όμοια δοκίμια από τον συγκεκριμένο χάλυβα θερμαίνονται στους 800oC για 1 ώρα ώστε να επιτευχθεί πλήρης ωστενιτοποίηση. Στη συνέχεια τα τέσσερα δοκίμια ακολουθούν διαφορετικούς τρόπους ψύξης:

• Το δοκίμιο Νο.1 ψύχεται ακαριαία στους 650οC, παραμένει στη θερμοκρασία αυτή για 100 sec και στη συνέχεια ψύχεται στο νερό.

• Το δοκίμιο Νο.2 ψύχεται ακαριαία στους 600οC, παραμένει εκεί για 2 sec και στη συνέχεια ψύχεται στο νερό.

• Το δοκίμιο Νο.3 ψύχεται ακαριαία στους 400οC, παραμένει εκεί για 1 ώρα και στη συνέχεια ψύχεται στο νερό

• Το δοκίμιο Νο.4 ψύχεται ακαριαία στους 300οC, παραμένει εκεί για 1 λεπτό και στη συνέχεια ψύχεται στο νερό

Να περιγράψετε την μικροδομή των δοκιμίων μετά το πέρας της διαδικασίας. (γ) Να υπολογίσετε τον ελάχιστο ρυθμό ψύξεως ( σε οC/sec) που απαιτείται κατά την ψύξη από τους 800οC για την πλήρη μετατροπή του χάλυβα σε μαρτενσίτη. (δ) Ο ελάχιστος ρυθμός ψύξεως που υπολογίσατε στο ερώτημα (γ) εφαρμόστηκε σ’ένα λεπτό έλασμα από τον συγκεκριμένο χάλυβα και παρατηρήθηκαν στρεβλώσεις. Τι μέτρα μπορούμε να πάρουμε για αποφύγουμε τις στρεβλώσεις στην προσπάθειά μας να έχουμε πλήρη μετασχηματισμό σε μαρτενσίτη; 12. Οι χάλυβες διπλής φάσεως (Dual-Phase Steels) χρησιμοποιούνται ευρύτατα στην αυτοκινητοβιομηχανία σε μορφή λεπτών ελασμάτων (πάχους έως 1mm) για την κατασκευή των φτερών και των θυρών των οχημάτων. Οι χάλυβες αυτοί περιέχουν δύο φάσεις: φερρίτη και μαρτενσίτη. Ο φερρίτης είναι η μητρική φάση και ο μαρτενσίτης ευρίσκεται σε διασπορά μάσα στον φερρίτη. Τυπικά οι χάλυβες αυτοί αποτελούνται από 70% φερρίτη και 30% μαρτενσίτη. (α) Θεωρείστε ένα χάλυβα με περιεκτικότητα 0.2%C (κ.β). Από ποιες φάσεις αποτελείται ο χάλυβας αυτός σε θερμοκρασία δωματίου κάτω από συνθήκες θερμοδυναμικής ισορροπίας; (β) Ποια θερμική κατεργασία πρέπει να πραγματοποιήσουμε για να μετατρέψουμε τον χάλυβα αυτό σε χάλυβα διπλής φάσεως με 70% φερρίτη και 30% μαρτενσίτη; (γ) Ας υποθέσουμε ότι έχουμε στη διάθεσή μας ένα χάλυβα 0.8%C. Ποια θερμική κατεργασία πρέπει να πραγματοποιήσουμε για να μετατρέψουμε τον χάλυβα αυτό σε χάλυβα διπλής φάσεως με 70% φερρίτη και 30% μαρτενσίτη; (δ) Ας υποθέσουμε ότι διαθέτουμε ένα χάλυβα 0.2%C, διπλής φάσεως, με 70%φερρίτη και 30% μαρτενσίτη. Πως μπορούμε να τον μετατρέψουμε σε φερριτοπερλιτικό χάλυβα; (ε) Θεωρείστε τώρα τον χάλυβα του ερωτήματος (α). Πως μπορούμε να τον μετατρέψουμε σε χάλυβα που να περιέχει 50% μαρτενσίτη και 50% μπαινίτη; Μία νέα εξέλιξη στην αυτοκινητοβιομηχανία είναι οι χάλυβες τριπλής φάσεως που περιέχουν φερρίτη, μπαινίτη και ωστενίτη σε ποσοστά 50%, 40% και 10% αντίστοιχα.

55

(στ) σχεδιάστε μία θερμική κατεργασία για την μετατροπή του χάλυβα του ερωτήματος (α) σε χάλυβα τριπλής φάσεως. (ζ) Γνωρίζουμε ότι ο ωστενίτης είναι μία αλλοτροπική μορφή του σιδήρου που εμφανίζεται σε υψηλές θερμοκρασίες. Για ποιο λόγο μπορεί και υπάρχει ωστενίτης σε θερμοκρασία δωματίου; Τι τον σταθεροποιεί; (η) Για ποιο λόγο επιθυμούμε την παρουσία του ωστενίτη στην τελική μικροδομή του χάλυβα; σημειώστε ότι οι χάλυβες αυτοί υφίστανται ψυχρή διαμόρφωση για την κατασκευή διαφόρων τμημάτων του οχήματος. (θ) Ποια κραματικά στοιχεία πρέπει να προσθέσουμε στον χάλυβα για να σταθεροποιήσουμε περισσότερο τον ωστενίτη; (ι) Με ποια θερμική κατεργασία θα μετατρέψετε έναν ευτηκτοειδή χάλυβα (0.8%C) σε χάλυβα τριπλής φάσεως; 13. (α)Τρία δοκίμια Α, Β, Γ από ευτηκτοειδή χάλυβα (0.8%C) υποβλήθηκαν στις ακόλουθες κατεργασίες: Δοκίμιο Α: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, ταχεία ψύξη στους 650οC, παραμονή για 1sec και βαφή στη θερμοκρασία δωματίου Δοκίμιο Β: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, ταχεία ψύξη στους 650οC, παραμονή για 10sec και βαφή στη θερμοκρασία δωματίου Δοκίμιο Γ: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, ταχεία ψύξη στους 650οC, παραμονή για 100sec και βαφή στη θερμοκρασία δωματίου Περιγράψτε τα βασικά χαρακτηριστικά των μικροδομών στα τρία δοκίμια στο τέλος της κατεργασίας εξηγώντας πως διαμορφώνεται η μικροδομή. (β) Μία ράβδος κυκλικής διατομής από χάλυβα 1080 θερμαίνεται στους 800οC και στη συνέχεια βάφεται σε λάδι στη θερμοκρασία δωματίου. Μία μεταλλογραφική τομή αποκαλύπτει τρείς ζώνες με διαφορετική δομή από το κέντρο προς την περιφέρεια της ράβδου. Αντιστοιχείστε τις ζώνες αυτές με τις δομές των χαλύβων Α,Β και Γ του ερωτήματος (α). Εξηγείστε την επιλογή σας. (γ) Τι μέτρα μπορούμε να πάρουμε για να επιτύχουμε 100% μαρτενσιτική δομή σε όλη τη μάζα της ράβδου; Ποια είναι τα αντίστοιχα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα; (δ) Ποιο από τα τρία δοκίμια του ερωτήματος (α) πρέπει οπωσδήποτε να υποβληθεί σε επαναφορά και για ποιο λόγο; (ε) Ποιες είναι οι διαφορές μεταξύ μαρτενσίτη και φερρίτη; 14. Πέντε δοκίμια Α, Β, Γ, Δ, Ε από ευτηκτοειδή χάλυβα (0.8%C) υποβλήθηκαν στις ακόλουθες κατεργασίες: Δοκίμιο Α: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, ταχεία ψύξη στους 600οC, παραμονή για 10sec και βαφή στη θερμοκρασία δωματίου Δοκίμιο Β: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, ταχεία ψύξη στους 350οC, παραμονή για 1h και βαφή στη θερμοκρασία δωματίου Δοκίμιο Γ: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, ταχεία ψύξη στους 350οC, παραμονή για 100sec και βαφή στη θερμοκρασία δωματίου Δοκίμιο Δ: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, ταχεία ψύξη στους 350οC, παραμονή για 10sec και βαφή στη θερμοκρασία δωματίου, θέρμανση στους 600οC για 1h, αργή ψύξη στη θερμοκρασία δωματίου Δοκίμιο Ε: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, ταχεία ψύξη στους 350οC, παραμονή για 10sec και βαφή στη θερμοκρασία δωματίου, θέρμανση στους 300οC για 1h, αργή ψύξη στη θερμοκρασία δωματίου

56

(α) Περιγράψτε τα βασικά χαρακτηριστικά των μικροδομών στα πέντε δοκίμια στο τέλος της κατεργασίας εξηγώντας πως διαμορφώνεται η μικροδομή. Σχεδιάστε μικρά σκίτσα για την μικροδομή του κάθε δοκιμίου (β) Κατατάξτε τα δοκίμια ως προς την σκληρότητα και ως προς την ολκιμότητα που έχουν μετά την κατεργασία. (γ) Στον χάλυβα 1080 προστίθεται 3%Mn, 1.5%Cr και 1%Μο για την αύξηση της εμβαπτότητας. Η εμβαπτότητα του νέου χάλυβα (1080-New) αυξάνεται τόσο ώστε οι καμπύλες ΙΤ μετατοπίζονται κατά 10sec στους 550oC. Επαναλάβατε τα ερωτήματα (α) και (β) με τον χάλυβα 1080-New και σχολιάστε τις διαφορές με τον χάλυβα 1080. (δ) Μεταβάλλεται η θερμοκρασία Μs με την προσθήκη κραματικών στοιχείων; Γιατί; (ε) Οι Χάλυβες 1080 και 1080-New υποβάλλονται στην εξής θερμική κατεργασία: Θέρμανση και μακρά παραμονή στους 800οC, βαφή στους 200oC, παραμονή για 1 εβδομάδα, αργή ψύξη στη θερμοκρασία δωματίου. Να συγκρίνετε τις μικροδομές των δύο χαλύβων στο τέλος της κατεργασίας. Σημ. Για όλα τα παραπάνω ερωτήματα να κατασκευάσετε πίνακα με τα αποτελέσματα για τους δύο χάλυβες, ώστε να διευκολυνθείτε στη σύγκριση 15. Τρείς χάλυβες Α,Β, και Γ με γνωστές συστάσεις υφίστανται ωστενιτοποίηση, βαφή σε νερό και κατόπιν ψύχονται στους -196οC. Στη συνέχεια υφίστανται επαναφορά για μία ώρα σε διάφορες θερμοκρασίες από τους 25οC έως 600οC. Το όριο διαρροής των χαλύβων μετρήθηκε σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας επαναφοράς και δίδεται από τον παρακάτω πίνακα σε μονάδες MPa: Τ, οC 25οC 200oC 400oC 500oC 600oC Χάλυβας Α 520 520 520 520 520 Χάλυβας Β 1000 1050 850 700 600 Χάλυβας Γ 1100 1150 1200 1300 900 Οι συστάσεις των χαλύβων (% κ.β) είναι οι εξής Χάλυβας Α: Fe-10Ni Χάλυβας Β: Fe-10Ni-0.1C Χάλυβας Γ: Fe-10Ni-8Co-2Cr-1Mo-0.1C Η θερμοκρασία Mf του χάλυβα Α είναι 400οC, το Cr και το Mo σχηματίζουν καρβίδια κατά την διάρκεια της επαναφοράς και το Co επιβραδύνει γενικά την κινητική της επαναφοράς. Επίσης ο καλά ανοπτημένος Fe στην θερμοκρασία δωματίου έχει χαμηλή αντοχή (περίπου 150MPa). Για τον κάθε χάλυβα(α) ποιοί μηχανισμοί ισχυροποιήσεως (ή η έλλειψη αυτών) είναι υπεύθυνοι για την υψηλή αντοχή στην θερμοκρασία δωματίου (25οC);

απαντήστε τα εξής:

(β) ποιοί μηχανισμοί ισχυροποιήσεως (ή η έλλειψη αυτών) είναι υπεύθυνοι για την μικρή αύξηση της αντοχής στους 200οC; (γ) ποιοί μηχανισμοί ισχυροποιήσεως (ή η έλλειψη αυτών) είναι υπεύθυνοι για την διαφορά της αντοχής πάνω από τους 400οC και γιατί; 16. Θεωρείστε ένα τεμάχιο από χάλυβα με 0.4% κ.β άνθρακα και 6 mm πάχος, το οποίο πρόκειται να υποστεί ωστενιτοποίηση στους 900οC για μία ώρα και στη συνέχεια να υποστεί βαφή και επαναφορά. Απαντήστε στα εξής: (α) Ποιες μεταβολές στη δομή και στην εμβαπτότητα θα προκύψουν αν από λάθος η θερμοκρασία του φούρνου για την ωστενιτοποίηση τεθεί 200οC υψηλότερα;

57

(β) Ποιες μεταβολές στη δομή και στην εμβαπτότητα θα προκύψουν εάν η θερμοκρασία του τεμαχίου στον φούρνο για την ωστενιτοποίηση φθάσει μόνο μέχρι τους 770οC; (γ) Εάν ανακαλυφθεί το λάθος, θα ήταν δυνατόν να ανακτηθεί η επιθυμητή κατάσταση με νέα θερμική κατεργασία; Ναι ή όχι και γιατί; (δ) Εάν δεν ανακαλυφθεί το λάθος σχολιάστε για κάθε λανθασμένη ωστενιτοποίηση των περιπτώσεων (α) και (β) πως επηρεάζονται η σκληρότητα, η μέγιστη αντοχή εφελκυσμού, η δυσθραυστότητα, το όριο διαρροής και η ολκιμότητα. Πιθανά χρήσιμες πληροφορίεςΕυτηκτοειδής θερμοκρασία: 723οC

:

Θερμοκρασία Α3 του χάλυβα : 780οC Ευτηκτοειδής σύσταση : 0.80% κ.β. Μέγιστη σκληρότητα χάλυβα (0.4%C κ.β.) για την σωστή θερμική κατεργασία (900οC) είναι 50 RC.