Materijali I - 2. dio PDF

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE ZAVOD ZA MATERIJALE Vinko Ivušić, Mladen Franz MATERIJALI I – 2.dio Autorizirana predavanja 2006./2007. NESAVRŠENOSTI (NEPRAVILNOSTI) KRISTALA Realni kristali nikad nisu idealni, uvijek su prisutne ne...

SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET STROJARSTVA I BRODOGRADNJE ZAVOD ZA MATERIJALE Vinko Ivušić, Mladen Franz MATERIJALI I – 2.dio Autorizirana predavanja 2006./2007. NESAVRŠENOSTI (NEPRAVILNOSTI) KRISTALA Realni kristali nikad nisu idealni, uvijek su prisutne nepravilnosti u njihovoj strukturi. Prilikom kristalizacije (skrućivanja) svi atomi ne uspiju zauzeti svoje pozicije u prostornoj kristalnoj rešetki. Iako je taj broj relativno malen ( ≈ 1 od 1000 atoma), nesavršenosti kristala imaju vrlo značajan utjecaj na svojstva materijala. Nesavršenosti kristala klasificiraju se prema njihovoj geometriji i obliku: Nuldimenzijske (točkaste) Jednodimenzijske (linijske) Dvodimenzijske (plošne) Trodimenzijske ( prostorne) Nuldimenzijske (točkaste) nesavršenosti Kao što samo ime govori ove nepravilnosti zauzimaju samo jedno mjesto u prostornoj rešetki. To su: Vakancije (prazna mjesta) 1 Supstitucijski ( zamjenbeni ) strani atom Intersticijski ( uključinski ) strani atom Jednodimenzijske (linijske) nesavršenosti Ova nepravilnost može biti pravocrtna ili spiralna poput vijka. Nazivamo ih dislokacijama a mogu biti bridne i vijčane. 2 Bridna dislokacija izgleda ovako: a vijčana ovako: 3 Dvodimenzijske (plošne) nesavršenosti Dvodimenzijske nepravilnosti jesu plohe i predstavljaju različite granice od kojih su najvažnije granice između kristalnih zrna. Naime metali, koji gotovo svi imaju kristalnu strukturu jesu polikristali, što znači da između mnoštva kristalnih zrna postoje granice zrna. One mogu biti ( vidi sliku): Malokutne granice zrna Velikokutne granice zrana Trodimenzijske ( prostorne ) nesavršenosti To su «makro» nepravilnosti u kristalnoj strukturi, a posljedica su procesa izrade ili toplinske obrade: Pore Uključine DIFUZIJA Difuzija jeste pojava premještanja tvari u plinovitom, tekućem i čvrstom stanju. Premještanje tvari je kretanje ili zamjena mjesta atoma, iona ili molekula u plinovima tekućinama i krutnini. Najzanimljivija je difuzija atoma u čvrstom stanju. U krutnini kretanje atoma u kristalima može biti na: Supstitucijski način Intersticijski način Kod supstitucijskog načina dolazi do izmjene mjesta između atoma i vakancije (praznog mjesta). Ukoliko dolazi do izmjene mjesta između vlastitih atoma i vakancija govori se o samodifuziji koja je prisutna kod čistih metala. Kod legura mjesta mogu izmjenjivati atomi primjese i vakancija u osnovnom metalu. Što su to legure ili slitine? 4 Def. Legura je tvar koju čine dvije ili više komponenti. Jedna od komponenti je uvijek metal, a druga(e) mogu biti metal ili nemetal. Te druge komponente nazivaju se primjesa(e) ili legirni dodaci. Primjese koje nisu namjerno dodane nazivaju se nečistoće. Kretanje atoma kroz kristalnu rešetku izmjenom mjesta između «vlastitog» ili «stranog» atoma i vakancije (prazna mjesta) pokazuje sljedeća slika: Supstitucijski način: Intersticijski način kretanja atoma je sljedeći : 5 O čemu ovisi intenzitet difuzije? Iskazan je kroz tijek J, koji predstavlja broj atoma ili masu tvari koji prolaze kroz jediničnu površinu u određenom vremenu. Prema 1. Fickovom zakonu vrijedi: J= -D dc/dx, g/cm2s Gdje je : D difuznost ili difuzijski koeficjent dc/dx gradijent koncentracije D – difuznost je definirana sljedećim izrazom: D = Do e –Qd/RT, cm2/s Gdje su: Do – difuzijska konst. mater. Qd- aktivacijska energ. R- plinska konstanta T-apsolutna temperatura Na intenzitet difuzije utječu: z Temperatura z Kristalna struktura z Koncentracija tvari koja difundira z Nesavršenosti kristala KRISTALI LEGURA U legurama pojavljuju se sljedeće vrste kristala: z Kristali mješanci z Kristali intermetalnog spoja z Kristali kemijskog spoja z Miješani kristali 6 Kristali mješanci Kristali mješanci su kristali legura kod kojih atomi primjese legure ( atomi otopljenog elementa) ulaze u kristalnu rešetku osnovnog metala legure ( topitelja). To mogu činiti na dva načina: supstitucijski (zamjenbeni) intersticijski (uključinski) Tako se kristali mješanci dijele na supstitucijske i intersticijske kristale mješance. Sljedeća slika pokazuje dvodimenzionalnu sliku supstitucijskog kristala mješanca Fe i Cr ( oba metala imaju BCC kristalnu rešetku), i slične veličine atoma supstitucijski atomi topitelja (Fe) atomi otopljenog elementa (Cr) Da bi dva metala ( komponente ) legure mogli tvoriti supstitucijske kristale mješance treba biti zadovoljeno nekoliko uvjeta, od kojih su dva najvažnija: oba metala ( komponente legure) moraju imati istu vrstu kristalne rešetke, npr. FCC, BCC, HCP veličina atoma obje komponente ne smije se previše razlikovati 7 Kod intersticijskih kristala mješanaca atomi primjese (otopljenog elementa ) ulaze u međuprostore kristalne rešetke osnovnog metala legure ( topitelja) Kod intersticiskih kristala mješanaca atomi primjese moraju biti puno manji da bi se mogli uključiti u međuprostore kristalne rešetke osnovnog metala. intersticijski atomi topitelja (Fe) atomi otopljenog elementa (C) Supstitucijsko i intersticijsko smještanje atoma primjese u kristalnu rešetku topitelja izaziva manju ili veću deformaciju rešetke( vidi točkaste nesavršenosti!), te na taj način povećanje čvrstoće (mehaničke otpornosti) kristala mješanca u odnosu na čisti metal. 8  Kristali intermetalnog spoja Većina kristala mješanaca nema potpunu rastvorljivost atoma primjese u čvrstoj otopini osnovnog metala. Tada komponente legure (metali!) tvore kemijski spoj s novom kristalnom rešetkom. Takvi kristali nazivaju se – kristali intermetalnog spoja. Tako kod mijedi, legure Cu-Zn, do ∼20% mase Zn bakar i cink tvore supstitucijske kristale mješance s FCC kristalnom rešetkom. Pri većim udjelima Zn nastaju intermetalni spojevi: β-(Cu-Zn) γ-(Cu5-Zn8) ε-(Cu-Zn3) Kristali kemijskog spoja Kod ovih kristala jedna komponenta je nemetal koja s nekim metalom tvori kristale kemijskog spoja. Primjer: MnS u Fe-C legurama Miješani kristali Ukoliko komponente legure imaju drugačiju kristalnu strukturu (rešetku) ili je prevelika razlika u veličini atoma , te uopće ne mogu tvoriti kristale mješance postoji „smjesa“ dvije ili više vrsta kristala koja se naziva miješani kristali. Primjer: Cu – Pb Oba metala imaju FCC rešetku, ali je prevelika razlika u veličini atoma da bi tvorili kristale mješance 9 DIJAGRAMI STANJA Dijagrami stanja ili fazni dijagrami ili dijagrami slijevanja (engleski “phase diagrams”, njemački “Zustandsdiagramme”) grafički su prikazi koji pokazuju koje faze i fazni konstituenti su prisutni u materijalnim sustavima na različitim temperaturama i tlakovima za različite kemijske sastave. Većina dijagrama stanja konstruirana je za ravnotežne uvjete ili, bolje rečeno, za nominalno ravnotežne uvjete budući da se, u većini slučajeva, ravnoteža nikada ne postiže potpuno, nego samo približno. Dijagrami stanja služe inženjerima i znanstvenicima za razumijevanje i predviđanje ponašanja materijala u različitim uvjetima. Iako dijagrami stanja postoje i za čiste tvari, u tehnici su oni najpotrebniji za proučavanje legura. BINARNI DIJAGRAMI STANJA Kada se sustav legura sastoji od dvije komponente, njegovo stanje definira binarni dijagram stanja. Dijelovi binarnog dijagrama stanja prikazani su na slici. Koordinatni sustav dijagrama stanja 10 A i B su komponente sustava legura. Obično su to pojedini kemijski elementi, npr.: Cu i Sn ili Fe i C. Na apscisi dijagrama X je sastav (ili koncentracija). Sastav se najčešće izražava postotnim udjelom mase komponente B (%B) u promatranoj leguri ili nekom njenom sastavnom dijelu. Sastav se rjeđe izražava kao postotak volumena (%B vol.) ili kao maseni udio komponente B (grama komponente B u 1 gramu legure ili nekog njenog sastavnog dijela). Ukoliko nije drugačije naznačeno, %B znači postotni udio mase komponente B u promatranoj leguri ili fazi. Na ordinati dijagrama je temperatura ϑ koja određuje izoterme. Svaka točka u dijagramu stanja određena je sastavom i temperaturom. Legure pri grijanju, odnosno hlađenju doživljavaju određene pretvorbe. Počeci, odnosno završeci pretvorbe određeni su granicama pretvorbi. Točke pretvorbi određuju se na razne načine. Najjednostavniji način je praćenje promjene temperature pri hlađenju određene količine rastaljenog materijala uz konstantno, dovoljno sporo, odvođenje topline. Na taj se način dobiju krivulje hlađenja koje se razlikuju za čiste metale i za legure. a) b) Krivulje hlađenja za ekstremno sporo hlađenje a) čisti metal b) legura 11  L – početak skrućivanja S – završetak skrućivanja tL – vrijeme početka skrućivanja tS – vrijeme završetka skrućivanja ϑL – temperatura početka skrućivanja ϑS – temperatura završetka skrućivanja T – taljevina K – kruta faza Proces skrućivanja pri kojem nastaje kristalna struktura naziva se kristalizacija. Kristalizacija (stvaranje klica kristalizacije, rast kristala, nastajanje granica zrna) oslobađa takozvanu latentnu toplinu koja može poništiti odvođenje topline za vrijeme hlađenja. Zato kod čistih metala temperatura “stoji” za vrijeme skrućivanja (skrutište) sve dok sva taljevina (T) ne prijeđe u kruto stanje (K), što se vremenski odvija između točaka L i S. Prije početka skrućivanja (kristalizacije) postoji samo jedna faza – taljevina (T), za vrijeme trajanja skrućivanja (kristalizacije) postoje dvije faze – taljevina (T) i kruta faza (K), a nakon završetka skrućivanja (kristalizacije) postoji samo jedna, kruta faza (K). Slično je i kod legura, ali je kod njih latentna toplina oslobođena kristalizacijom nedovoljna da nadoknadi odvedenu toplinu, pa nema stojišta temperature, nego se pad temperature samo usporava za vrijeme intervala skrućivanja od ϑL do ϑS. To je zbog toga jer kod legura postojanje druge komponente ometa proces kristalizacije prve komponente i obrnuto. Često kruta faza kod legura nije jedinstvena, nego se sastoji od dvije ili više faza. Za snimanje dijagrama stanja treba veći broj krivulja hlađenja za legure promatranog sustava, kako je to ilustrirano slikom. 12  a) b) Konstrukcija dijagrama stanja na temelju krivulja hlađenja a) krivulje hlađenja legura dvokomponentnog sustava A – B b) binarni dijagram stanja sustava legura A – B Krivulje hlađenja iz a) preslikavaju se u točke granica pretvorbi u b). Tako krivulje hlađenja za čiste komponente A i B daju po jednu točku (LA,SA odnosno LB,SB) u dijagramu stanja b), a to su njihova skrutišta, odnosno tališta. Ostale krivulje hlađenja X1 do X4 daju po dvije točke u dijagramu stanja, tj. temperature početka skrućivanja L1 do L4 i temperature završetka skrućivanja S1 do S4. Granica koja spaja sve početke skrućivanja zove se likvidus, a granica koja spaja sve završetke skrućivanja zove se solidus. Iznad likvidus granice sve legure su u rastaljenom stanju, između likvidusa i solidusa legure se sastoje od taljevine i krute faze, a ispod solidusa sve su legure potpuno skrućene. Valja naglasiti da snimanje dijagrama stanja nije tako jednostavno kako izgleda iz ovog prikaza. Za uobičajenu inženjersku praksu puno je važnije korištenje već snimljenih dijagrama stanja koji se mogu naći u priručnicima, knjigama i atlasima. 13 POLUŽNO PRAVILO Polužno pravilo omogućuje računsko određivanje masenog udjela pojedinih faza ili njihovih konstituenata u bilo kojem dvofaznom području binarnih dijagrama stanja. Polužno pravilo može se objasniti na nekoliko načina. Jedan od njih opisan je za binarni dijagram stanja s potpunom topljivošću komponenti u rastaljenom i krutom stanju. Binarni dijagram stanja međusobno potpuno topivih komponenti A i B Na apscisi nalazi se sastav tj. maseni udio komponente B izražen u postocima od 0 (čista komponenta A) do 100 (čista komponenta B). Promatra se legura čiji sastav (maseni udio komponente B) iznosi XL, a nalazi se na temperaturi ϑ1. U točki 1 na temperaturi ϑ1 jedan dio legure (faza T) je rastaljen, a drugi dio (faza K) je skrućen. Sastav taljevine iznosi XT, a sastav krute faze XK. Te vrijednosti određene su presjecištima izoterme ϑ1 s likvidus i solidus granicama. Maseni udjeli faza mogu se odrediti rješenjem dviju jednadžbi s dvije nepoznanice. Prva jednadžba proizlazi iz činjenice da zbroj postotnih masenih udjela tekuće faze (Tm) i krute faze (Km) mora biti jednak 100. Dakle Tm + Km = 100 14 Druga jednadžba dobije se primjenom polužnog pravila: Tm Km a b XT XK XL Oslonac poluge predstavlja prosječan sastav legure (dvofazna smjesa), a na krajevima poluge djeluju kao sile maseni udjeli faza (ili dijelova faza). Krakovi poluge određeni su sastavima legure i faza. Tada je jednadžba ravnoteže: Tm ⋅ a = Km ⋅ b , a = XL - XT b = XK - XT b Tm = Km a Uvršteno u prvu jednadžbu b Km + Km = 100 a 100 100 ⋅ a Km = = , b a+b 1+ a b 100 ⋅ b Tm = Km = a a+b ili Tm = 100 - Km IZOMORFNI DIJAGRAM STANJA Dijagram stanja kakav je prikazan na slikama u poglavlju «Polužno pravilo», zove se izomorfni, a vrijedi za sustav legura s potpunom topljivošću i u rastaljenom i u krutom stanju, kao što je npr. sustav legura Cu-Ni. Konstrukcija njihovog dijagrama stanja prikazana je slikom. 15  Konstrukcija dijagrama stanja legura Cu – Ni a) reprezentativne krivulje hlađenja b) dijagram stanja legura Cu – Ni U lijevom dijagramu prikazana je grupa krivulja hlađenja, a desno je dijagram stanja koji se pomoću krivulja hlađenja konstruira. Na apscisi dijagrama stanja je sastav tj. postotni udio mase legirnog elementa, u ovom slučaju nikla. Krivulje hlađenja za čiste metale (Cu i Ni) daju po jednu točku u dijagramu stanja (A i B) koje su ustvari njihova skrutišta. Krivulje hlađenja za legure različitog sastava X (20% Ni, 50% Ni i 80% Ni) daju po dvije točke, tj. temperature početka skrućivanja (L1, L2, L3) i temperature završetka skrućivanja (S1, S2, S3). U ovom sustavu postoji samo jedna kruta faza označena s α, a čine je supstitucijski kristali mješanci s rešetkom bakra, odnosno nikla. Budući da i bakar i nikal imaju FCC rešetku, a radiusi atoma im se vrlo malo razlikuju (RCu= 128 pm, RNi = 125 pm), oni bez problema zamjenjuju mjesta bez obzira na sastav. Na taj način je kod ove legure po završetku skrućivanja prisutna samo jedna faza, kristali mješanci α i to u čitavom području od 0-100% Ni. 16 Jednom snimljen, dijagram stanja može poslužiti za dobivanje korisnih informacija o bilo kojoj leguri toga sustava. Te informacije su sljedeće: a) Faze prisutne kod legura različitog sastava na različitim temperaturama b) Međusobna topljivost komponenta c) Temperature na kojima legure počinju i završavaju skrućivanje d) Sastav faza za različite legure i temperature e) Mogućnost računskog određivanja masenog udjela faza ili konstituenata Sve navedeno vrijedi za sporo hlađenje, odnosno grijanje tj. za ravnotežne uvjete. Ovo je ilustrirano analizom skrućivanja legure s 25% nikla. Analiza legure bakra s 25% nikla i shematski prikaz strukturnih stanja Na temperaturi 1300 oC legura je u rastaljenom stanju (100% T) i 75% njene mase čine atomi bakra, a 25% mase atomi nikla. Na temperaturi 1230 oC stvaraju se prve klice kristalizacije koje se sastoje od nekoliko jediničnih FCC ćelija bakra u kojima 38% čine atomi nikla (ovaj podatak određen je presjecištem izoterme 1230 oC sa solidus crtom). Struktura se u tom trenutku sastoji od taljevine sastava 25% Ni, koje ima gotovo 100%, i nemjerljivo male mase α-kristala mješanaca (Cu, Ni) sastava 38% Ni. 17 Na temperaturi 1200 oC struktura se sastoji od taljevine u kojoj je sastav Ni pao na 20% (presjecište izoterme 1200 oC s likvidus crtom) i α-kristala mješanaca (Cu, Ni) kojima je sastav pao na 30% (presjecište izoterme 1200 oC sa solidus crtom). Maseni udjeli ovih faza mogu se računski odrediti primjenom polužnog pravila (primjer). Primjer ϑ = 1200 oC XL = 25 % Ni Tm αm XT = 20% Ni XL = 25% Ni Xα = 30% Ni Tm (XL - XT) = αm (Xα - XL) Tm (25 - 20) = αm (30 - 25) Tm + αm = 100 (% mase) Tm = αm (30-25)/(25-20) = αm 5/5 = αm αm + αm = 100 2 αm = 100 αm = 50 % mase Tm = 100 - αm = 100 - 50 Tm = 50 % mase U primjeru za temperaturu 1200 oC odstupanja sastava taljevine i α-kristala mješanaca od sastava legure su jednaka (krakovi isti) pa je zato i njihov maseni udio jednak. Na 18 temperaturi od 1180 oC legura je upravo pred završetkom skrućivanja. Sastoji se od nemjerljivo male mase taljevine sastava 16% Ni (presjecište 1180 oC - likvidus) i gotovo 100% α-kristala mješanaca bakra i nikla sastava 25% Ni. Na temperaturi 1100 oC (kao i na svim temperaturama nižim od 1180 oC) legura je potpuno skrućena i 100% njene mase čine α-kristali mješanci u kojima 25% mase čine atomi nikla, a 75% mase čine atomi bakra. EUTEKTIČKI DIJAGRAM STANJA Eutektički dijagram stanja definira stanja sustava legura kojega čine elementi (komponente A i B) s potpunom topljivošću u rastaljenom stanju, a djelomičnom topljivošću u krutom stanju. ϑ, C o A-B ϑ, C o A X1 X2 XE X3 X4 L1 L1 L4 B L4 S1 S1 L2 S4 S4 L2 L3 T L3 α'+T T+β' D S2' E' S3' ϑE α' C S2 E S3 β' S2 E S3 α'+E β'+E F E' G X1 X2 XE X3 X4 t, s X, %B a) Opći oblik eutektičkog dijagrama stanja b) Karakteristične krivulje hlađenja Likvidus granica je A – E – B, a solidus granica je A – C – E – D – B. Iznad likvidus crte sve je rastaljeno, jedina faza je taljevina, T. Što će se dogoditi kada temperatura taljevine dostigne likvidus granicu, ovisit će o sastavu promatrane legure. 19 Naime, u jednom dijelu eutektičkog dijagrama prevladava utjecaj komponente A pa se tu stvaraju pretežno kristali mješanci s rešetkom komponente A (α-kristali mješanci), a u drugom dijelu prevladava utjecaj komponente B pa se tu pretežno stvaraju kristali mješanci s rešetkom komponente B (β-kristali mješanci). Granica između ta dva područja je legura eutektičkog sastava, XE. XE : legura eutektičkog sastava XXE : legure nadeutektičkog sastava Na slici je označeno pet legura: X1, X2, XE, X3 i X4. Te legure kristaliziraju na sljedeći način: Legura X1 Legura X1 počinje skrućivanje u točki L1 koja na krivulji hlađenja označuje početak smanjenja brzine hlađenja, a završava u točki S1 kada je legura potpuno skrućena. Kristali koji nastaju između točaka L1 i S1 imaju rešetku komponente A koja u sebi sadrži i atome komponente B i označeni su s α’. Sastav tih kristala mješanaca može se za pojedinu temperaturu očitati na presjecištu izoterme s dijelom solidus crte A - C. Ovi kristali mješanci zovu se alfa-primarni i označuju s α'. Za vrijeme hlađenja od točke L1 do S1 stvara se sve više kristala α' sa sve većim sadržajem atoma komponente B. Istodobno se mijenja i sastav preostale taljevine (po crti A - E), ali joj se smanjuje maseni udio. U svakom trenutku maseni udjeli taljevine i krute faze α' mogu se izračunati primjenom polužnog pravila. Dok traje ovaj proces, krivulja hlađenja ima usporenje (od točke L1 do S1). Nakon završetka skrućivanja u točki S1 legura X1 se sastoji samo od kristala mješanaca α' i daljnjim hlađenjem joj se struktura ne mijenja. Legura X2 Legura X2 je podeutektičkog sastava. Njeno skrućivanje počinje u točki L2 izlučivanjem iz taljevine α’-kristala mješanca. 20 Daljnjim hlađenjem stvara se sve više α’-kristala mješanaca u kojima raste sadržaj atoma komponente B. Maseni udio taljevine u sustavu se smanjuje, a sastav mijenja (bogatija na B). Kada temperatura padne na ϑE (eutektička temperatura), α' dostiže granični sastav (točka C). U α’-kristale mješance ne može se ugraditi više komponente B. Istodobno, preostala taljevina poprima sastav XE i ulazi u eutektičku pretvorbu: T → αe + βe αe + βe = E U eutektičkoj pretvorbi istodobno se stvaraju kristali mješanci s rešetkom komponente A (alfa-eutektički, αe) i kristali mješanci s rešetkom komponente B (beta-eutektički, βe). Zajednički αe i βe čine pseudofazu koja se naziva eutektikum i označuje s E. Termin pseudofaza upotrijebljen je zato jer nije homogena tvorevina (ima kristale različitih rešetaka), a ipak ima neka obilježja faze, npr. granice zrna, prosječnu tvrdoću, prosječni sastav, oblik zrna i slično. Sastavni dijelovi faza i pseudofaza uobičajeno se nazivaju konstituenti. Pritom su vezani oni konstituenti koji su uključeni u pseudofaze, dok su ostali slobodni konstituenti. U nekim sustavima legura pojedini konstituenti, faze i pseudofaze dobivaju posebna imena. Kristalizacija eutektikuma ima obilježje kristalizacije čistog metala (temperatura stoji) jer je, zbog istodobnog stvaranja α i β-kristala, oslobađena količina latentne topline dovoljna za nadoknađenje odvedene topline. Nakon završetka eutektičke pretvorbe legura X2 je potpuno skrućena i ima strukturu α'+E koju zadržava i na nižim temperaturama. Ova tvrdnja nije sasvim točna jer su time zanemarene promjene strukture koje nastaju uslijed promjena sastava α-kristala mješanaca (crta C - F) i β-kristala mješanaca (crta D - G). Ipak, te promjene su toliko male da ih je opravdano zanemariti. Slična analiza vrijedi za sve podeutektičke legure, tj. u polju A -C - E njihova se struktura sastoji od taljevine i α', a u polju C - E - E' - F od α' i eutektikuma. Legura XE Legura eutektičkog sastava ističe se time što ima najniže skrutište (i talište) od svih legura toga sustava što je važno iz tehnoloških razloga. Naime, za taljenje eutektičke legure potrebno je najmanje energije. Zato lemovi uglavnom imaju eutektički sastav, kao i sivi 21 lijev, jedan od najzastupljenijih ljevačkih materijala. Kod ove legure ne pojavljuju se primarni kristali mješanci, nego se skrućivanje sastoji samo od eutektičke kristalizacije na eutektičkoj temperaturi, slično kao kod čistih metala, što je ilustrirano krivuljom hlađenja. Nakon skrućivanja ova legura sastoji se samo od eutektikuma: E = αe + βe. Legura X3 Legura X3 započinje skrućivanje u točki L3 izlučivanjem kristala mješanaca s rešetkom komponente B koji se zovu beta-primarni i označuju s β’. Za nadeutektičke legure vrijedi slična analiza kao za podeutektičke, ali umjesto α' sada se pojavljuje β'-kristal mješanac. Dakle, u polju E - D - B bit će prisutni taljevina i β', a u polju E - D - G - E' bit će prisutni β' i eutektikum. Legura X4 Legura X4 započinje skrućivanje u točki L4 a završava skrućivanje kao monofazna (β') i dalje joj se struktura ne mijenja. Shematski prikaz strukturnih stanja u eutektičkom dijagramu stanja prikazan je na slici. Shematski prikaz strukturnih stanja u eutektičkom dijagramu 22 Kristalna zrna vezanih konstituenata u eutektikumu uvijek su manja od odgovarajućih primarnih zrna jer se, zbog istodobne kristalizacije αe i βe stvara više klica kristalizacije, nego kod kristalizacije primarnih zrna. Budući da sitnozrnate strukture u pravilu imaju dobra svojstva, odatle i dolazi naziv eutektikum (grčki: εu = dobar, tehnein = graditi). U eutektičkom dijagramu konstituenti krutih faza i faze koje oni tvore su sljedeći: Konstituent Faza Pseudofaza α’ α α e E βe β β’ EUTEKTOIDNI DIJAGRAM STANJA Eutektoidni dijagram stanja sličan je eutektičkom uz bitnu razliku što se kod njega radi o pretvorbi u krutom stanju, tj. prekristalizaciji. Jedan od mogućih općih oblika eutektoidnog dijagrama stanja prikazan je na slici. 23  likvidus ϑ, oC T B T+γ solidus A D C Γγ γ+α' Γ E id Γ γ+β' ϑid F G α' β' α'+(α +β ) β'+(α +β ) id id id id XF Xi d XG X, %B Opći oblik eutektoidnog dijagrama stanja Sve legure iz ovog sustava nakon primarne kristalizacije imaju monofaznu strukturu koja se sastoji od kristala mješanaca s kristalnom rešetkom komponente A, označenih s γ koji su stabilni samo na višim temperaturama.. Primarna kristalizacija je skrućivanje, tj. prijelaz iz tekućeg u kruto stanje. U trenutku kad više nema taljevine, primarna kristalizacija je završena. Sve daljnje pretvorbe u krutom stanju spadaju u sekundarnu kristalizaciju. Ako je s Xid označen eutektoidni sastav legure, onda su: XXid : nadeutektoidne legure Kod svih podeutektoidnih legura na temperaturnoj granici C - Eid počinje prekristalizacija tj. izlučivanje kristala mješanaca s kristalnom rešetkom komponente A stabilnih na nižim temperaturama. Ti kristali označeni su s α'. Podeutektoidne legure čiji sastav leži lijevo od XF završavaju sekundarnu kristalizaciju kao monofazne legure koje se sastoje od kristala α'. 24 Kod podeutektoidnih legura čiji sastav leži desno od XF pri temperaturi ϑid nastupa eutektoidna pretvorba kod koje preostali γ-kristali prelaze u smjesu kristala s kristalnom rešetkom komponente A (αid) i s kristalnom rešetkom komponente B (βid). Ta smjesa kristala naziva se eutektoid. na ϑid : γ → αid + βid = Eutektoid Eutektoid je pseudofaza jer ima neka obilježja prave faze (npr. prosječni sastav, tvrdoću, oblik zrna), ali nije prava faza jer se sastoji od raznovrsnih konstituenata (αid, βid). Eutektoidna legura (x=xid) prekristalizira na ϑid direktno u čisti eutektoid : γ → αid + βid Kod svih nadeutektoidnih legura na temperaturnoj granici E - D počinje izlučivanje kristala mješanaca s kristalnom rešetkom komponente B, označenih s β'. Kod nadeutektoidnih legura koje imaju sastav između Xid i XG pri temperaturi ϑid nastupa eutektoidna pretvorba kod koje preostali γ-kristali prelaze u smjesu kristala s kristalnom rešetkom komponente A (αid) i s kristalnom rešetkom komponente B (βid). To je eutektoid (αid + βid) koji je sam po sebi jednak za sve podeutektoidne, eutektoidnu i sve nadeutektoidne legure kod kojih je prisutan. Njegova obilježja su da se sastoji od αid i βid i da ima fiksni prosječni sastav Xid. Nadeutektoidne legure koje imaju sastav veći od XG završavaju sekundarnu kristalizaciju kao monofazne legure koje se sastoje od β'-kristala. LEGURE ŽELJEZO - UGLJIK Kod realnih materijala pojavljuju se i složeniji dijagrami stanja. Tako legure željezo-ugljik kristaliziraju prema dijagramu stanja koji ima peritektički, eutektički i eutektoidni dio. To je binarni sustav (iako realne legure tog sustava nikada nisu čisto binarne), a dvije komponente koje ga čine su željezo i ugljik. 25 Željezo, Fe Željezo je metal koji ima najširu tehničku primjenu, ali gotovo isključivo kao legure s ugljikom C. Čisto željezo je magnetično, sivo-bijele boje, duktilno i mekano, srednje čvrstoće. Željezo ima 26 elektrona (2 vanjska u četvrtoj ljusci). Shematski prikaz atoma željeza Model atoma željeza 26 Radius atoma: RFe= 124 pm Željezo iskazuje polimorfiju, tj. pojavljuje se u više kristalnih rešetki (alotropskih modifikacija) ovisno o temperaturi. Alotropske modifikacije željeza pri hlađenju i grijanju Pri hlađenju iz rastaljenog stanja željezo na 1536oC kristalizira u δ Fe s BCC rešetkom koja je stabilna do 1392oC kada preklistalizira u γ Fe s FCC rešetkom. Na 898oC γ Fe preklistalizira u α Fe koje ima BCC rešetku kao i δ Fe. Ispod 770oC (Currie-temperatura) α Fe postaje magnetično, odnosno kod zagrijavanja prestaje biti magnetično. Kod zagrijavanja je tijek promjena obrnut, a do prekristalizacije iz α Fe u γ Fe dolazi sa zakašnjenjem (histerezom) od 13oC. Posljedica prekristalizacije željeza su i skokovite dimenzionalne promjene uslijed razlike u gustoći slaganja atoma u BCC i FCC rešetki. 27 Ugljik, C Ugljik je najvažniji legirni element za materijale na bazi željeza. Pojavljuje se u četiri alotropske modifikacije: amorfna (koks) i tri kristalne, grafit, dijamant i fulereni. Ugljik ima 6 elektrona (4 vanjska u drugoj ljusci). Shematski prikaz atoma ugljika Radius atoma: RC= 77 pm Ugljik se u Fe-C legure uključuje na tri načina, što ovisi o načinu kristalizacije. Dva su tipa ravnotežne kristalizacije kod Fe-C legura: stabilna i metastabilna kristalizacija. Stabilna kristalizacija čistih Fe-C legura može nastupiti samo kod ekstremno sporog hlađenja. Ovisno o temperaturi i sastavu, atomi ugljika u tom slučaju ulaze u rešetku željeza tvoreći tako intersticijske kristale mješance (δ, γ, α) ili tvore kristale grafita (Cg). Grafit ima slojevitu strukturu u kojoj su ugljikovi atomi u slojevima povezani čvrstom kovalentnom vezom tvoreći heksagonske prstene. Slojevi su međusobno povezani slabijim Van der Waalsovim vezama (vidi sliku). 28  Kristalna struktura grafita Metastabilna kristalizacija Fe-C legura nastupa pri realno sporom hlađenju. Ugljik i kod ovakve kristalizacije tvori intersticijske kristale mješance (δ, γ, α), a umjesto grafita pojavljuje se Željezni karbid koji se naziva cementit (Fe3C). Cementit je intermetalni spoj nepromjenjivog sastava od 6,67% C. Ima kompliciranu ortorombsku rešetku. Ta rešetka nema kliznih ravnina pa je zato cementit tvrd i krhak. Strogo gledajući, metastabilna kristalizacija nije ravnotežna jer cementit nije potpuno stabilan (može se razgraditi u α-kristale mješance i grafit). Ipak, u većini praktičkih uvjeta cementit je jako stabilan pa se zato može smatrati ravnotežnom fazom. Dakle, ugljik se u ravnotežno skrućenim Fe-C legurama pojavljuje u kristalima mješancima (δ, γ, α) i kao grafit (Cg) kod stabilne kristalizacije ili u cementitu (Fe3C) kod metastabilne kristalizacije. Amorfna i dijamantna modifikacija ugljika ne pojavljuju se u Fe-C legurama, osim u obliku vrlo tankih površinskih prevlaka (DLC = Diamond like carbon) kod kojih je struktura pretežno dijamantna, a djelomično amorfna. 29  Fe - C DIJAGRAM STANJA ZA METASTABILNU KRISTALIZACIJU U slučaju realno sporog hlađenja, tj. metastabilne kristalizacije Fe - C legura ostatak ugljika koji nije u kristalima mješancima (δ, γ, α) kristalizirat će u obliku željeznog karbida Fe3C, cementita. Dijagram stanja Fe-C za metastabilnu kristalizaciju Likvidus krivulja je A - D - E – B, a solidus krivulja je A - C - F - H - E - J. Eutektički sastav je 4,3 %C, a eutektička temperatura je 1147 oC. Legure koje sadrže više od 4,3 %C su nadeutektičke legure. Legure koje sadrže manje od 4,3 %C, a više od 2,03 %C su podeutektičke legure. Eutektoidni sastav je 0,8 %C, a eutektoidna temperatura je 723 oC. Legure koje sadrže manje od 2,03 %C, a više od 0,8 %C su nadeutektoidne legure. Legure koje sadrže manje od 0,8 %C su podeutektoidne legure. 30 Uobičajena je također podjela na čelike (legure s manje od 2,03 %C) i bijele lijevove (legure s više od 2,03 %C). U kolegiju Materijali I izostavlja se analiza peritektičke kristalizacije između točaka A - G - F - D - A. U legurama koje pri hlađenju dolaze na granicu D - E počinju se iz taljevine izlučivati kristali primarnog austenita, γ’, intersticijskog kristala mješanca γ Fe i ugljika. Kod metastabilne kristalizacije maksimalna topljivost ugljika u austenitu iznosi 2,03 %C na 1147 o C, a na 723 oC topljivost pada na 0,8 %C. Austenit ima deformiranu FCC rešetku jer se u nekim oktaedarskim prazninama te rešetke nalaze atomi ugljika. Budući da je atom ugljika veći od raspoložive praznine, izazvana deformacija rešetke onemogućuje ulazak ugljikovih atoma u svaku jediničnu ćeliju γ Fe. Kod maksimalne koncentracije od 2,03 %C približno je svaka treća jedinična ćelija zauzeta atomom ugljika (vidi sliku). FCC (100) idealna rešetka deformirana rešetka RC = 77 pm RFe = 124 pm rγFe = 0,41 RFe = 51 pm RC > rγFe Shematski prikaz "zauzetosti" kristala austenita atomima ugljika u oktaedarskim prazninama jediničnih ćelija γ Fe Sekundarna kristalizacija podeutektoidnih Fe-C legura počinje na granici K - M izlučivanjem kristala mješanaca primarnog ferita, α', intersticijskog kristala mješanca α Fe i 31 ugljika. Maksimalna topljivost ugljika u feritu je 0,025 %C na 723 oC, a na 20 oC pada na 2×10-7 %C što je praktički jednako nuli. Ferit, slično kao austenit, ima deformiranu BCC rešetku jer se u nekim, vrlo rijetkim, tetraedarskim prazninama te rešetke nalaze atomi ugljika. Budući da je atom ugljika puno veći od raspoložive praznine, izazvana deformacija puno je veća nego kod austenita. Zato kod maksimalne koncentracije od 0,025 %C tek na približno svakih petsto jediničnih BCC ćelija dolazi jedan atom ugljika (vidi sliku). BCC (100) idealna rešetka deformirana rešetka RC = 77 pm RFe = 124 pm rαFe = 0,29 RFe = 35 pm RC >> rαFe Shematski prikaz "zauzetosti" kristala ferita atomima ugljika u tetraedarskim prazninama jediničnih ćelija α-željeza. Sastav α'-kristala mješanaca mijenja se s padom temperature po granici K – L, a sastav γ' kristala mješanaca po granici K - M, uz istodobno povećanje masenog udjela α' kristala mješanaca na račun γ' kristala mješanaca. Sve podeutektoidne legure, osim onih s manje od 0,025 %C, na temperaturi od 723 oC doživljavaju eutektoidnu pretvorbu u kojoj se preostali γ'-kristali mješanci, koji su upravo poprimili sastav od 0,8 %C, pretvaraju u eutektoid koji se sastoji od eutektoidnog ferita (αid) i eutektoidnog cementita (Fe3Cid): 723 oC: Eutektoidna pretvorba γ' → αid + Fe3Cid = P 32 Ovaj eutektoid naziva se perlit (P). Struktura podeutektoidnih legura nakon završetka eutektoidne pretvorbe sastoji se dakle od α', αid i Fe3Cid i ostaje takva do sobne temperature, jer su daljnje promjene izazvane smanjenjem topljivosti ferita tako malene da se mogu zanemariti. Sekundarna kristalizacija nadeutektoidnih legura počinje na granici H - M, kada se zbog smanjenja topljivosti ugljika u austenitu počinje na granicama zrna izlučivati sekundarni cementit (Fe3C''). Njegov se količinski udio povećava sve do 723 oC kada preostali austenit poprima sastav od 0,8 %C i doživljava eutektoidnu pretvorbu identičnu kao i kod podeutektoidnih legura. Struktura nadeutektoidnih legura nakon završetka eutektoidne pretvorbe sastoji se od Fe3C'', αid i Fe3Cid i ostaje takva i nakon završetka hlađenja. Primarna kristalizacija podeutektičkih legura počinje na granici D - E izlučivanjem γ'-kristala mješanaca. Udio ugrađenog ugljika u njima raste s padom temperature, a raste i njihov maseni udio na račun taljevine kojoj koncentracija ugljika također raste, ali se smanjuje njena količina. Na temperaturi od 1147 oC sastav γ' iznosi graničnih 2,03 %C, a preostale taljevine 4,3 %C i u tom trenutku počinje eutektička pretvorba preostale taljevine u eutektikum koji se sastoji od eutektičkog austenita (γe) i eutektičkog cementita (Fe3Ce) : 1147 oC: Eutektička pretvorba T → γe + Fe3Ce = L Ovaj eutektikum naziva se ledeburit (L). Neposredno nakon završetka eutektičke pretvorbe struktura podeutektičkih legura sastoji se od γ', γe i Fe3Ce. Hlađenje ispod 1147 oC izaziva zbog smanjenja topljivosti ugljika u austenitu (granica H - M) izlazak dijela atoma ugljika iz γ' i γe i formiranje sekundarnog cementita Fe3C''. To traje do 723 oC kada se u eutektoidnoj pretvorbi preostali γ' i γe kristali mješanci, kojima se koncentracija ugljika upravo smanjila na 0,8 %C, transformiraju u perlit. Nakon završetka eutektoidne pretvorbe i dalje struktura podeutektičkih legura sastoji se od Fe3Ce, Fe3C'', αid i Fe3Cid. 33 Kod nadeutektičkih legura na likvidus granici (B - E) počinje izlučivanje kristala primarnog cementita (Fe3C'). Hlađenjem raste udio Fe3C', a pada udio taljevine u kojoj se koncentracija ugljika smanjuje sve do 4,3 %C na 1147 oC kada se eutektičkom pretvorbom transformira u ledeburit (γe i Fe3Ce). Pri daljnjem hlađenju eutektički austenit otpušta ugljikove atome koji tvore Fe3C'', a na 723 oC preostali γe kristali mješanci transformiraju se u perlit (αid + Fe3Cid) i od tada dalje zadržava se struktura Fe3C' + Fe3Ce + Fe3C'' + αid + Fe3Cid. Sve metastabilno kristalizirane Fe-C legure na sobnoj temperaturi sastoje se od raznih konstituenata feritne i karbidne (cementitne) faze. Konstituenti i faze koji nastaju metastabilnom kristalizacijom Fe-C legura su: Konstituent Faza Pseudofaza γ’ A γ e L (ledeburit) e Fe3C Fe3C’ K Fe3C’’ Fe3C id P (perlit) α id α’ F δ 34 Konstituenti koji su u sastavu pseudofaza, tj. γe i Fe3Ce te αid i Fe3Cid su vezani konstituenti, dok su svi ostali slobodni konstituenti. Radi boljeg uočavanja slijeda pretvorbi u Fe-C dijagramu, shematski je prikazana mikrostruktura u pojedinim poljima dijagrama. Shematski prikaz mikrostruktura u Fe-C dijagramu stanja za metastabilnu kristalizaciju Najvažnije su mikrostrukture podeutektodnih, eutektoidnog i nadeutektoidnih čelika, prikazane na sljedećim slikama. 35  Shematski prikaz mikrostrukture podeutektoidnih metastabilno skrućenih Fe-C legura na 20°C Shematski prikaz mikrostrukture eutektoidne metastabilno skrućene Fe-C legure na 20°C Shematski prikaz mikrostrukture nadeutektoidnih metastabilno skrućenih Fe-C legura na 20°C 36 Treba napomenuti da je shematsko prikazivanje mikrostrukture pojednostavljeno i da se dosta razlikuje od stvarnog izgleda mikrostruktura, (usporedi sa sljedećim slikama). Mikrostruktura nelegiranog čelika s 0,2 %C. Nagrizeno nitalom (smjesa dušične kiseline i alkohola). Povećanje 200:1. Isto kao prethodna slika. Povećanje 1000:1. 37 Mikrostruktura nelegiranog čelika s 0,8 %C. Nagrizeno nitalom. Povećanje 200:1. Isto kao prethodna slika. Povećanje 1000:1. 38 Mikrostruktura nelegiranog čelika s 1,8 %C. Nagrizeno nitalom. Povećanje 200:1. Isto kao prethodna slika. Povećanje 1000:1. U kolegiju Materijali I izostavlja se detaljna analiza stabilne kristalizacije Fe-C legura, pri kojoj, uz ekstremno sporo hlađenje, ugljik formira konstituente grafita Cg′, Cge, Cg″ i Cgid umjesto konstituenata cementita Fe3C’, Fe3Ce, Fe3C’’ i Fe3Cid. 39 NERAVNOTEŽNE PRETVORBE Fe-C LEGURA Pretvorbe strukture Fe-C legura pri hlađenju ovise o brzini hlađenja. S porastom brzine hlađenja smanjuje se mogućnost difuzije i udaljava se od ravnotežnog stanja. Za hlađenje iz austenitnog područja orijentaciono vrijedi: hlađenje pretvorbe ekstremno sporo stabilne (u peći) ravnotežne realno sporo metastabilne (na zraku) brzo neravnotežne (u vodi) PROMJENA OBLIKA Fe –C DIJAGRAMA S POVEĆANJEM BRZINE HLAĐENJA Pri toplinskoj analizi čistog željeza gdje je brzina hlađenja bila približno jednaka 0, zabilježena je toplinska histereza pri pretvorbi γ⇔α željezo od 13°C ( 911 –898°C). Povećanjem brzine hlađenja ta histereza postaje sve veća ( vidi sliku!) 40 Pri vrlo brzom hlađenju (gašenju) metastabilno kristaliziranih Fe-C legura ( čelika) granice pretvorbe A1, A3 i Acm prelaze u jedinstvenu krivulju Ms koja označava početak stvaranja nove faze martenzita koji se označava simbolom M. Ms linija spaja točke početka fazne pretvorbe A ⇒ M (martensite start). S povećanjem sadržaja ugljika u 41 čelicima temperatura Ms se smanjuje. Na isti način smanjuju se i temperature završetka pretvorbe A ⇒ M, Mf (martensite finish).Za čelik s oko 0,6 %C Mf temperatura iznosi ≈20 0C odnosno Mf linija sječe os apscisu. Ovaj dijagram se zove Uptonov dijagram koji, za vrlo brzo hlađenje, pokazuje strukturne faze prisutne u čelicima na različitim temperaturama u ovisnosti o sadržaju ugljika. Za podeutektoidne čelike u temperaturnom području od A3 do Ms prisutan je Ap- pothlađeni austenit, između Ms i Mf linije Ap i M, a ispod Mf linije samo M. Podeutektoidni čelici s više od 0,6 % C sadrže dakle nakon vrlo brzog hlađenja na sobnoj temperaturi osim martenzita i pothlađeni austenit koji se tu naziva zaostali austenit Az. Nadeutektoidni čelici osim ove dvije faze sadrže i karbidnu fazu K ( Fe3C-cementit): nakon vrlo brzog hlađenja kod nadeutektoidnih čelika na sobnoj temperaturi prisutni su dakle Az + M +K. Za eliminaciju Az (čelici s više od 0,6 %C) čelik treba ohladiti na temperaturu nižu od Mf odnosno provesti postupak dubokog hlađenja. MARTENZIT Martenzit je prezasićeni ristal mješanac ugljika u prostorno centriranoj tetragonalnoj rešetci željeza. Martenzit nastaje isključivo pretvorbom iz austenita, nakon vrlo brzog hlađenja (gašenja) čelika.. Postupak toplinske obrade čelika koji se sastoji od ugrijavanja čelika u temperaturno područje gdje je prisutna austenitna faza s naknadnim vrlo brzim hlađenjem (gašenjem) naziva se kaljenje čelika. U kristalima mješancima austenita ugljikovi atomi intersticijski su otopljeni u FCC rešetki γ Fe. Zna se da je moguće rastvoriti (otopiti) da max 2,03 %C u austenitu. Vrlo brzim gašenjem čelika iz austenitnog područja, pri kojem hlađenju je difuzija atoma gotovo potpuno onemogućena ugljikovi atomi ostaju prisilno otopljeni (zarobljeni) u martenzitnoj rešetki. Gašenje (vrlo brzo hlađenje) čelika ima za posljedicu martenzitnu kristalnu rešetku koja nije kubična, odnosno BCC kao što je to kod ferita nego BCT ( body centered tetragonal) (vidi sliku): 42  Fe Fe C aA C c aA AM aA AM M : BCT +C A : FCC + C Martenzitna kristalna rešetka (BCT) nastala je preklapanjem austenitne rešetke (FCC) bez difuzije odnosno bez «seljenja» atoma! Martenzitna rešetka je zbog prisustva prisilno otopljenih ugljikovih atoma distordirana u jednom smjeru, odnosno c>aM. Odnos te dvije stranice jedinične ćelije martenzitne rešetke : c/aM , naziva se stupanj tetragonalnosti. za koji vrijedi da je c/aM>1. Što je stupanj tetragonalnosti veći to je martenzitna kristalna rešetka više distordirana. Posljedica toga je iznimno velika tvrdoća ( i čvrstoća) čelika u tom stanju te ujedno njegova krhkost. 43 Druga posljedica martenzitne pretvorbe jest povećanje volumena čelika u martenzitnom stanju u odnosu na perlitno-feritno stanje jer je volumen tetragona veći od volumena kocke za istu bazu ( pretpostavka aM ≈ aF). Distordiranost martenzitne rešetke, iskazana kroz stupanj tetragonalnosti, je to veća što čelik sadrži više ugljika. Optimalna temperatura austenitizacije Da bi se neki čelik zakalio, odnosno postigla martenzitna mikrostruktura, a s time i visoka tvrdoća, čelik treba zagrijati na temperaturu austenitizacije te nakon toga dovoljno brzo ohladiti (gasiti), brzinom većom ili jednakom od gornje kritične brzine gašenja, vkg. Pitanje je koja je to temperatura austenitizacije koja daje najvišu tvrdoću? Pojas optimalnih temperatura austenitizacije označen je u «čeličnom» dijelu Fe – C dijagrama : A1 , A3 i Acm jesu granice pretvorbi početka i završetka sekundarne kristalizacije čelika za uvjete metastabilne kristalizacije odnosno realno sporog hlađenja. Ovaj će nam dijagram poslužiti da se utvrdi na koju temperaturu valja zagrijati čelik prije hlađenja. Budući da martenzit može nastati isključivo iz austenita logično je da čelik treba zagrijati u područje monofaznog austenita. Za podeutektoidne čelike je stvarno tako. ϑA = A3 + ( 30 – 70) °C 44 Nadkritičnim hlađenjem s te temperature dobiva se 100 % M u čeliku. Istina samo za podeutektoidne čelike s manje od 0,6 % C. Za one s više od 0,6 %C potrebno je gašenje na temperaturu nižu od sobne ( Upton). Gašenje s temperature između A3 i A1 ne bi dalo 100 % M nego M + F. Dakle mekani ferit ostao bi uz martenzit u kaljenom čeliku i snizio mu tvrdoću. Takav postupak kaljenja ne bi bio ispravan. Nadeutektoidni čelici se pri austenitizaciji ne griju iznad Acm u monofazno austenitno područje već samo nešto iznad A1 ϑA = A1 + ( 50 – 70) °C Zašto? Gašenjem iz područja A + K dobiva se na sobnoj temperaturi M + K + (Az) K jeste željezni karbid – cementit visoke tvrdoće ( 1000 HV) pa na taj način doprinosi visokoj tvrdoći. Zaostali austenit je neizbježan kod nadeutektoidnih čelika ukoliko se hlade do sobne temperature (Upton). Ako se čelik ugrijao iznad Acm dobio bi se nakon gašenja grubozrnati martenzit i zaostali austenit bez karbida pa bi prema tome i tvrdoća bila niža. TTT dijagrami (Time-Temperature- Transformation) TTT dijagrami premošćuju zbivanja pri hlađenju od realno sporog hlađenja (Fe-C dijagram) do vrlo brzog hlađenja (Uptonov dijagram). TTT dijagram za podeutektoidni čelik konstruiran pomoću Fe-C i Uptonovog dijagrama pokazuje sljedeća slika: 45  TTT dijagram Fe-C dijagram Uptonov dijagram Faze prisutne u TTT dijagramu jesu: F –ferit, P – perlit (pseudo faza), Ap – pothlađeni austenit, B –bainit ( tzv. među struktura koja se sastoji od ferita i cementita. Tvrđa od perlita ali mekša od martenzita), M – martenzit. Az – zaostali austenit (svi čelici s više od 0,6% C) TTT dijagrami mogu biti kontinuirani (hlađenje se ne prekida) i izotermički (hladi se brzo do temperature izoterme i drži na toj temperaturi do završetka pretvorbi). U kolegiju Materijali I ne obrađuju se izotermički TTT dijagrami. Kontinuirani TTT dijagrami Svi TTT dijagrami imaju na osi apscisa vrijeme t u logaritamskom mjerilu Kontinuirani TTT dijagrami imaju ucrtane krivulje hlađenja na kraju kojih stoji iznos tvrdoće postignut takvim hlađenjem s temperature austenitizacije. Obično nije ucrtana Mf linija 46 Slijedi TTT dijagram za podeutektoidni čelik Krivulje hlađenja: 1 – nadkritično gašenje; Postiže se 100 % M ; Postiže se maksimalna tvrdoća za taj čelik 2- gornja kritična krivulja gašenja. Postiže se također 100 %M i maksimalna tvrdoća. To je najmanja brzina gašenja s kojom se još postiže 100 % M. Približno se izračunava prema izrazu: ϑ A −ϑ i vkg = , K/s t i min t i min je minimalno vrijeme inkubacije 47  3 – postiže se mikrostruktura: M + B, te niža tvrdoća u odnosu na 1 i 2. 4 - postiže se mikrostruktura: M + B + P i niža tvrdoća u odnosu na 3. 5- donja kritična krivulja hlađenja; postiže se mikrostruktura F + P, niža tvrdoća u odnosu na 4. Donja kritična brzina gašenje je najveća brzina kojom se ne postiže martenzitna mikrostruktura. Približno se izračunava prema izrazu: ϑ A −ϑ d vkd = , K/s tin 6 - podkritična krivulja hlađenja. Postiže se F+P , niža tvrdoća u odnosu na 5 7 - podkritična krivulja hlađenja. Postiže se F+P , niža tvrdoća u odnosu na 6 8 - podkritična krivulja hlađenja. Postiže se F+P , niža tvrdoća u odnosu na 7 TTT dijagram za eutektoidni čelik Kod eutektoidnog čelika (0,8%C) kod vrlo sporog hlađenja ne dolazi do stvaranja feritne faze već austenit A na temperaturi A1 prelazi u perlit P eutektoidnom reakcijom. Kod nadkritičnog hlađenja osim martenzita M na sobnoj temperaturi prisutan je i zaostali austenit Az, kao i kod svih čelika s više od 0,6% C. 48 TTT dijagram za nadeutektoidni čelik Vrlo sporim hlađenjem kod nadeutektoidnih čelika dobiva se mikrostruktura koja se sastoji od perlita i karbida ⇒ P+K. Nadkritičnim gašenjem na sobnoj temperaturi pored martenzita prisutan je i cementit i zaostali austenit ⇒ M+K+Az 49