Tepelné zpracování oceli - teorie

Při tepelném zpracování mohou probíhat změny struktury ve dvou směrech: Je-li struktura v nerovnovážném stavu, lze použít postupů směřujících k dosažení termodynamické rovnováhy, kterou představuje diagram Fe-Fe₃C. Tyto postupy se souhrnně označují jako žíhání. Druhou skupinou procesů je vytváření nerovnovážných struktur, které vznikají rychlým ochlazením. Tyto procesy se označují jako kalení.

Žíhání

Procesy žíhání se vyznačují velmi malou rychlostí změn teploty, čímž vznikají struktury blízké rovnovážným. Změny struktury při žíhání jsou spojeny s fázovými přeměnami (žíhání s překrystalizací) nebo pouze se změnami uspořádání fází (žíhání bez překrystalizace).
Žíhání bez překrystalizace představuje žíhání ke snížení pnutí, rekrystalizační žíhání k odstranění deformační textury po tváření za studena a žíhání na měkko, jehož cílem je sferoidizace karbidů za účelem zlepšení obrobitelnosti materiálu.
Žíhání s překrystalizací představuje především normalizační žíhání, sloužící ke zjemnění austenitického zrna, a homogenizační žíhání pro omezení segregace (odmíšení) difúzním vyrovnáním obsahu legur.
Uvedené procesy žíhání se využívají především jako mezioperační žíhání, obvykle se těmito postupy nedosahuje výsledných užitných vlastností materiálu. Volba teplot pro uvedené postupy žíhání je uvedena na obr.1.

Obr.1: Oblasti žíhacích teplot v diagramu Fe-Fe3C: a) žíhání na snížení pnutí, b) rekrystalizační, c) na měkko, d) normalizační, e) homogenizační,

Zušlechťování

Pro dosažení vhodné struktury a vlastností materiálu se nejčastěji využívá zušlechťování. Proces zušlechťování se skládá z kalení a popouštění. Kalení se provádí tak, že se ocel ohřeje na teplotu nad A₃, následuje výdrž na teplotě a rychlé ochlazení na pokojovou teplotu. Z hlediska struktury je tento proces založen na vzniku a řízeném rozpadu austenitu. Po kalení následuje popouštění, tj. ohřev na teplotu pod A₁, výdrž a ochlazení.
První operací při zušlechťování je ohřev oceli nad teplotu A₃, nad níž probíhá přeměna feriticko-perlitické struktury na austenit, austenitizace. U podeutektoidních ocelí probíhá austenitizace v rozmezí teplot A₁ a A₃, u nadeutektoidních ocelí mezi teplotami A₁ a A_cm. Jednotlivá stádia austenitizace jsou: přeměna feritu na austenit, rozpouštění cementitu v austenitu a homogenizace austenitu.
Na austenitizaci má vliv jak výchozí stav struktury, tak složení oceli. Jemná struktura urychluje austenitizaci, zatímco hrubá struktura jí zpomaluje. Rostoucí obsah uhlíku do eutektoidní koncentrace a nekarbidotvorné prvky urychlují austenitizaci, karbidotvorné prvky austenitizaci zpomalují.Tváření oceli před tepelným zpracováním austenitizaci urychluje. Z jemnozrnného austenitu vznikají při rozpadu jemnozrnné produkty s lepšími mechanickými vlastnostmi než z austenitu hrubozrnného. Pro austenitizační ohřev se obvykle volí teploty v intervalu 30-50°C nad teplotu A₃ pro podeutektoidní oceli. Nadeutektoidní oceli se obvykle neohřívají do oblasti austenitu, kde by došlo k silnému zhrubnutí zrna, ale pouze nad teplotu A₁.
Následuje ochlazení z austenitizační teploty na pokojovou teplotu. Při ochlazování dochází k rozpadu austenitu. Podle rychlosti ochlazování mohou vznikat různé produkty, lišící se strukturou i vlastnostmi:
Při nejmenší rychlosti ochlazování austenitu je produktem přeměny perlit, lamelární směs feritu a cementitu. Probíhá při teplotách, které dovolují vysokou rychlost difúze uhlíku i legujících prvků.
Při vyšší ochlazovací rychlosti a nižší teplotě, než je teplota perlitické přeměny, vzniká bainit, nelamelární směs perlitu a cementitu. Bainit vzniklý za vyšších teplot se nazývá horní bainit a vlastnostmi a strukturou se blíží perlitu, zatímco za nižších teplot vzniká dolní bainit podobný martenzitu. Bainitická transformace neprobíhá úplně, část austenitu zůstává nepřeměněna ve formě zbytkového austenitu.
Při rychlostech ochlazování vyšších než je kritická rychlost kalení a při nižších teplotách, než je teplota bainitické přeměny, dochází ke vzniku martenzitu. Martenzit je přesycený tuhý roztok uhlíku v α-Fe s krystalografickou mřížkou tetragonální prostorové centrovanou. Martenzit vzniká bezdifúzním střihovým mechanismem, uspořádanými přesuny skupin atomů z uzlových bodů tak, že relativní změny poloh sousedních atomů jsou menší než meziatomové vzdálenosti. Vznik martenzitu je doprovázen deformací mřížky a vznikem mřížkových poruch, které způsobují značná vnitřní pnutí. Martenzitická přeměna probíhá atermálně, k transformaci nemůže dojít izotermicky při výdrži na teplotě, ale pouze při klesající teplotě. Vznik martenzitu ovlivňuje obsah uhlíku a legujících prvků, velikost zrna, teplota austenitizace a velikost vnitřních pnutí před začátkem tepelného zpracování. Martenzitická transformace, podobně jako bainitická, nikdy neprobíhá úplně, zbytkový austenit snižuje tvrdost vzorku po zakalení. Podíl zbytkového austenitu roste především s obsahem uhlíku a některých legujících prvků.
Po zakalení se struktura oceli může skládat z různých produktů rozpadu austenitu podle toho, jaká ochlazovací rychlost byla dosažena v dané části předmětu.
Rozpad austenitu za různých podmínek ukazují transformační diagramy, ve kterých jsou uvedeny teploty a časy potřebné k dané přeměně podle složení a stavu výchozí oceli. Diagramy izotermického rozpadu austenitu (IRA) ukazují průběh přeměny austenitu za konstantní teploty (obr.2a), zatímco diagramy anizotermického rozpadu austenitu (ARA) znázorňují průběh přeměn austenitu při různých rychlostech ochlazování (obr.2b).

Obr.2: Transformační diagramy podeutektoidní oceli: a) IRA, b) ARA

Oba typy diagramů se skládají ze čtyř oblastí ohraničených křivkami, udávajícími podmínky rozpadu austenitu: oblast stability austenitu a oblasti existence tří produktů rozpadu austenitu. Podle požadavků na strukturu a vlastnosti zpracovávané oceli lze volit příslušnou rychlost ochlazování.
Rychlost ochlazování lze ovlivnit volbou ochlazovacího média. Běžně používaná kalicí média jsou uvedena v tab.1.

Je zřejmé, že nejintenzivněji ochlazuje voda a některé vodné roztoky solí. Nevýhodou je vysoká rychlost ochlazování v průběhu martenzitické transformace, čímž dochází ke vzniku velkého vnitřního pnutí. Z tohoto pohledu se jeví vhodnější olejové lázně.

Obr.3: Závislost tvrdosti oceli s 50 a 99,9% martenzitu na obsahu uhlíku

Se zušlechťováním souvisí dvě vlastnosti oceli - kalitelnost a prokalitelnost. Kalitelnost určuje schopnost oceli provést martenzitickou transformaci. Protože však struktura oceli není tvořena pouze martenzitem, za zakalenou se považuje struktura tvořená alespoň 50% martenzitu. Kalitelnost se nejčastěji zjišťuje měřením tvrdosti, protože každé oceli podle obsahu uhlíku odpovídá maximální dosažitelná tvrdost pro 50% martenzitu ve struktuře (obr.3). Za kalitelný se považuje takový materiál, u něhož při daném způsobu kalení dosáhneme tvrdosti, která odpovídá alespoň 50% martenzitu.

Obr.4: Jominyho zkouška prokalitelnosti

Samotná kalitelnost pro zušlechťování nepostačuje. Je nutno znát také hloubku pod povrch, do které zakalení proběhlo. Tato veličina se nazývá prokalitelnost. Stanovuje se Jominyho zkouškou prokalitelnosti (obr.4). Při tomto postupu se měří tvrdost v závislosti na vzdálenosti od vodou ochlazovaného čela zkušební tyče – křivka prokalitelnosti (obr.5). U ocelí se zaručenou prokalitelností musí křivka prokalitelnosti ležet uvnitř oblasti označované jako pás prokalitelnosti. Je vymezen křivkami nejvyšší a nejnižší prokalitelnosti získanými z většího počtu čelních zkoušek prokalitelnosti téže oceli. Hranice pásu prokalitelnosti lze číselně vyjádřit indexem prokalitelnosti.

Obr.5: Diagram prokalitelnosti: 1 – křivka prokalitelnosti, 2,3 – hranice pásu prokalitelnosti

Martenzit po zakalení má vysokou tvrdost, ale nízkou houževnatost a obsahuje vysoké vnitřní pnutí. Proto musí následovat popouštění, při kterém se ocel zahřívá na teplotu pod A1 a na této teplotě se udržuje po stanovenou dobu. Při popouštění dochází ke snižování obsahu uhlíku v martenzitu vylučováním cementitu, zbytkový austenit transformuje na bainit. Při popouštění na velmi vysoké teploty dochází k transformaci martenzitu na ferit. Popouštění je tedy proces směřující k dosažení termodynamické rovnováhy. Při popouštění klesá tvrdost a vzrůstá houževnatost. Proto je nutné volit teplotu a dobu popouštění tak, aby bylo dosaženo požadované kombinace mechanických vlastností. Nepříznivým jevem při popouštění je tzv. popouštěcí křehkost vznikající precipitací karbidů a příměsových prvků na hranicích zrn. Nízkoteplotní popouštěcí křehkost, objevující se při teplotách okolo 300°C, je neodstranitelná. K vysokoteplotní popouštěcí křehkosti dochází při teplotách 450-500°C a lze ji omezit rychlým ochlazením oceli po popouštění.
Struktura vybrané oceli před a po zušlechťování je znázorněna na obr. 6. Výchozí struktura je feriticko-perlitická (obr.6a), po zušlechtění je struktura tvořena popuštěným martenzitem (obr.6b).

Obr.6: Struktura oceli 16420 a) výchozí stav před zušlechťováním (tvářeno a normalizačně žíháno), b) zušlechtěno kalením z 850°C do oleje a popouštěním 1h při 500°C.