KAPITOLY

Home » Kapitola 4 - Tepelné zpracování oceli

Kapitola 4 - Tepelné zpracování oceli

Víte, že vlastnosti oceli se mění s tepelným zpracováním? Víte, že z jednoho druhu oceli můžete vyrobit výrobky se zcela rozdílnými vlastnostmi (tvrdostí, pevností apod.)?

Ocel má jednu zásadní vlastnost. Její vlastnosti (mechanické a strukturní) se dají podstatně měnit tepelným zpracováním. Průběh tepelného zpracování je u všech způsobů a u všech kovových materiálů v podstatě stejný. Skládá se z ohřevu na vhodnou teplotu, setrvání na této teplotě (prohřátí) a následném ochlazení, přičemž se tento postup může i vícekrát opakovat. Jednoduché schéma je patrné z následujícího obrázku.

V závislosti na teplotě ohřevu při ochlazování po tepelném zpracování můžeme dosáhnout rovnovážné nebo nerovnovážné struktury. Pokud je rychlost ochlazování nižší než kritická, dosahujeme u oceli rovnovážné struktury. Druh dosažené struktury tak v podstatě odpovídá konkrétnímu obsahu uhlíku dle diagramu železo-uhlík v kapitole 1 (samozřejmě v závislosti na obsahu dalších legujících prvků). U běžných uhlíkových ocelí je rovnovážná struktura feriticko-perlitická. Nerovnovážná struktura je u ocelí dosažena tehdy, když se výrobek ochlazuje z teploty, při které je materiál plně austenitizován tj. ohřátý tak, aby se struktura transformovala na austenit, vyšší rychlostí. Konkrétní rychlost ochlazování, která vyvolá v oceli nerovnovážnou strukturu, je závislá na více faktorech, z nichž nejdůležitější je chemické složení - tj. obsah legujících prvků (uhlík, chrom, nikl, mangan atd.). Důsledkem vyšší rychlosti ochlazování je zpomalení až potlačení některých procesů přeměn - především difuze, tj. cestování atomů v materiálu.

Nerovnovážné struktury - rozpad austenitu

Máme tedy ocelový výrobek v peci. Je ohřátý na austenitizační teplotu, tj. v celém objemu výrobku je austenitická struktura, výrobek vyjmeme z pece a začneme ho rychle ochlazovat - například ho hodíme do vody. Co se v materiálu děje? Za normálních podmínek by se austenit začal transformovat třeba na perlit, jak jsme si popsali v jedné z předchozích kapitol. Jenže k tomuto procesu je potřeba čas, aby se atomy uhlíku mohly v
materiálu přemisťovat sem a zase nazpět, jenže právě tento čas jsme atomům neposkytli, ale rychlým chlazením jsme je „zmrazili“ na místě. Jaká tedy bude výsledná mikrostruktura ve výrobku? Na to nám dávají odpověď diagramy, které popisují rozpad austenitu. Jedním z nich je tzv. ARA diagram - diagram Anizotermického Rozpadu Austenitu. Název vypadá složitě, ale v podstatě diagram popisuje to, jak se chová austenit v oceli,
pokud je plynule ochlazován ať už malou, nebo velkou rychlostí. Pokud budeme austenit ochlazovat tak rychle, že úplně zabráníme cestování atomů ve struktuře, dostaneme strukturu, které říkáme martenzitická. Odborně je martenzit přesycený tuhý roztok uhlíku v železe α (feritu). Přesycený proto, že je v něm více uhlíku, než by bylo možné ve feritu. Z austenitu vzniká tzv. střihovou přeměnou, která je bezdifuzní, a v podstatě jde jen o mírný pohyb atomů kratší, než je meziatomová vzdálenost. Jeho mřížka je oproti kubické mřížce austenitu tetragonální (je to kvádr se čtvercovou podstavou). Vznik martenzitu je doprovázen deformací mřížky a vznikem mřížkových poruch, které způsobují značná vnitřní pnutí. Proto je martenzit velmi tvrdý, a tím pádem má i ocelový výrobek po kalení podstatně větší tvrdost a pevnost, než kdyby jeho struktura vznikla rovnovážně a byla feritickoperlitická.
Přitom je to stále ten samý materiál o stejném chemickém složení. Jediné, co se změnilo, je jeho struktura.
Budeme-li stejnou ocel ochlazovat o něco pomaleji tak, abychom dovolili atomům alespoň trochu cestovat, dostaneme strukturu bainitickou. Bainit je struktura jehlicovitého tvaru, je měkčí než martenzit, ale tvrdší než perlit, který vzniká při pomalejším ochlazování. Názorně je to vidět na konkrétním ARA diagramu s příklady struktur. Diagram znázorňuje oblasti s fázemi oceli, které se v závislosti na různém ochlazování v oceli tvoří.

A - Austenit - to je vždy fáze, která tvoří výchozí strukturu. Zde je celý výrobek ohřátý na teplotu 950 st. Celsia. Při této teplotě je celá struktura austenitická. Pokud budeme výrobek ochlazovat velmi rychle - např. ponořením do
vody, dostaneme strukturu martenzitickou - M, pokud pomaleji, bainitickou - B, a ještě pomaleji - např. na
vzduchu, nebo v peci, feritickou - F, popř. perlitickou P. Příklady struktur jsou uvedeny v galerii dole. Jak je patrné z obrázků, mikrostruktura se radikálně mění v závislosti na rychlosti ochlazování, stejně tak se mění i tvrdost a s ní i pevnost. Pokud se zamyslíme nad pevností, tak tyčka o průřezu 1 cm čtverečních by v případě, že by byla zakalena na martenzitickou struktura, dokázala unést plně naložený autobus o hmotnosti 14 tun. Naopak tyčka, která by byla ochlazena pomalu a měla by feriticko-perlitickou strukturu, by dokázala unést jen jednoho menšího slona (necelé 4 tuny). A to se jedná o stále stejnou ocel s identickým chemickým složením, ale jinak tepelně zpracovanou. Tedy tepelné zpracování umožňuje u ocelí dosahovat širokého spektra vlastností.

Martenzitická mikrostruktura - po rychlosti ochlazování 300°C/s, tvrdost 412 HV 30Martenzitická mikrostruktura - po rychlosti ochlazování 300°C/s, tvrdost 412 HV 30