Predavanje 6-Deo 1
-
Upload
nemanja-simic -
Category
Documents
-
view
917 -
download
5
description
Transcript of Predavanje 6-Deo 1
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 1
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 11
Mašinski materijali- Predavanje -
TERMIČKA OBRADA ČELIKA
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 22
Tem
pera
tura
Vreme
Zagr
evan
je
Hladjenje
Progrevanje Progrevanje
Hladjenje
Zamrzavanje
Tem
pera
tura
Zagr
evan
je
Vreme
Zagrevanje
Termička obrada je tehnološki proces koji se sastoji iz zagrevanja metala do odredjene temperature, zadržavanja na toj temperaturi i hladjenja do sobne temperature
Cilj termičke obrade metala i legura jeste da se promene neke njihove mehaničke i fizičko-hemijske osobine, pre svega faznim i strukturnim promenama u čvrstom stanju; te su promene uglavnom funkcija temperature, vremena
Tok termičke obrade Tok termičke obrade sa hladjenjem ispod 0°C
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 2
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 33
Vrste termičke obrade čelika
U postupke obične termičke obrade spadaju:
Žarenje (difuziono, normalizaciono, meko, potpuno,
rekristalizaciono, za otklanjanje napona);
Kaljenje (zapreminsko ili potpuno, površinsko);
Otpuštanje (nisko, srednje, visoko).
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 44
Žarenje čelika
Žarenje je vid termičke obrade u toku koje se čelični delovi zagrevaju
do odredjenih povišenih temperatura, drže izvesno vreme na tim
temperaturama i zatim lagano hlade. Time se postiže uspostavljanje
strukturne ravnoteže koja je poremećena nekim prethodnim
postupkom termičke ili mehaničke obrade. Posle žarenja se dobija
perlitno-feritna, perlitna, ili perlitno-cementitna struktura (zavisno od
sastava čelika).
Cilj žarenja je da se popravi obradljivost čelika, da se homogenizuje
neujednačena struktura, uklone unutrašnji naponi, smanji tvrdoća,
poveća plastičnost i žilavost itd.
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 3
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 55
dele se na postupke sa faznim promenama:
difuzno, normalizaciono, meko i potpuno žarenje
i postupke žarenja bez faznih promena
rekristalizaciono žarenje i
žarenje radi popuštanja napona.
Metodi žarenja
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 66
Difuziono (homogenizaciono) žarenje
Zasniva se na zagrevanju čelika (visoko u austenitnom području), nešto ispod solidus linije, dugotrajnom progrevanju na toj temperaturi i sporom hladjenju.
Primenjuje se radi:
smanjenja nejednorodnost hemijskog sastava kod čeličnih odlivaka,poboljšanja mikrostrukture koja umesto neujednačene (dendritne) postaje homogena.
0 0.4 0.8 1.2 1.6500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Tem
pera
tura
, °C Austenit
Perlit + Ferit Cementit + Perlit
AC3
A Cm
Sadržaj C, maseni %
AC1 AC1,3 723°C 500°C
10 - 40 h
1050 - 1200°C
Vh = 50 - 100 °C/h
Vreme
Tem
pera
tura
AC1
AC3
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 4
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 77
Normalizaciono žarenje (normalizacija)
Izvodi se zagrevanjem čelika ili čeličnog liva do temperature oko 30 do 50°C iznad gornje kritične temperature A3 za podeutektoidne, odnosno iznad ACm za nadeutektoidne čelike, zatim progrevanjem pri toj temperaturi i najzad hladjenjem na mirnom vazduhu.
Cilj normalizacije je da se dobije ravnomerna i sitnozrnasta struktura.
Uglavnom se normalizuju valjaonički proizvodi, čelični odlivci, otkovci i zavareni spojevi od debelih čeličnih delova rdjave zavarljivosti.
0 0.4 0.8 1.2 1.6500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Tem
pera
tura
, °C
Austenit
Perlit + Ferit Cementit + Perlit
AC3
A Cm
Sadržaj C, maseni %
AC1 AC1,3 727°C
Vreme
Tem
pera
tura
AC1
AC3 (ACm)Na mirnom vazduhu
30-5
0°C
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 88
Meko (sferoidalno) žarenje
Izvodi se zagrevanjem oko donje kritične temperature (A1), zadržavanjem nekoliko desetina sati na toj temperaturi i zatim se delovi sporo hlade do sobne temperature.
Kao rezultat ove obrade dobija se struktura mekšeg-zrnastog (globularnog) cementita, umesto lamelarnog koji je tvrdji.
Primenjuje se radi poboljšanja obradljivosti rezanjem, naročito otkovaka od visokougljeničnih i legiranih čelika. Pri obradi rezanjem lamelarnog perlita, nož seče tvrde lamele Fe3C, a kod globularnog razmiče zrna i seče mekšu feritnu osnovu.
0 0.4 0.8 1.2 1.6500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Tem
pera
tura
, °C
Austenit
Perlit + Ferit Cementit + Perlit
AC1
AC3
AC1,3
A Cm
Sadržaj C, maseni %
727°C
Vreme
Tem
pera
tura
AC1
AC3 (ACm)
Na vazduhu18 - 24 h
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 5
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 99
Potpuno žarenje
Zasniva na zagrevanju čelika do austenitnog područja (30-50°C iznad tačke AC3 - ACm), zatim zadržavanju na odabranoj temperaturi i veoma sporom hladjenju u peći u intervalu faznih promena (A3, ACm,- A1). Dalje hladjenje od A1 do sobne temperature može biti na vazduhu.
Svrha potpunog žarenja jeste usitnjavanje zrna, otklanjanje nepovoljne Vidmanšetenove strukture, ujednačavanje strukture, kao i otklanjanje sopstvenih napona, tako da čelik postane mekši i kovniji.
Primenjuje se kod niskougljeničnih čelika kao priprema za duboko izvlačenje i za poboljšanje mašinske obradljivosti kod visokougljeničnih čelika.
Kad se kaže samo žarenje bez bližeg odredjenja, misli se na potpuno žarenje.
0 0.4 0.8 1.2 1.6500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Tem
pera
tura
, °C
Austenit
Perlit + Ferit Cementit + Perlit
Sadržaj C, maseni %
AC1 AC1,3 723°C
AC3
A Cm
Vreme
Tem
pera
tura
AC1
AC3 (ACm)
Na vazduhu
U peći
30 -
50 °
C
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 1010
Izotermalno žarenje
Deo se zagreva 30-50°C iznad gornje kritične temperature AC3, zatim brzo hladi do temperature nešto iznad 550ºC, zadržava pri toj temperaturi do završetka perlitne promene i najzad hladi na vazduhu.
Izotermalno žarenje ima prednost u odnosu na potpuno žarenje jer obezbeđuje skraćeno vreme procesa i dobijanje jednorodnije strukture.
0 0.4 0.8 1.2 1.6500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Tem
pera
tura
, °C
Austenit
Perlit + Ferit Cementit + Perlit
Sadržaj C, maseni %
AC1 AC1,3 723°C
AC3
A Cm
Vreme
Tem
pera
tura
AC1
AC3 (ACm)
Na vazduhu
30 -
50 °
C
Iznad 550°C
Brzo
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 6
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 1111
Rekristalizaciono žarenje
Zasniva se na zagrevanju metala, prethodno plastično deformisanog na hladno, do temperature više od temperature rekristalizacije, zadržavanju na toj temperaturi i hladjenju proizvoljnom brzinom.
Temperatura rekristalizacije (Tr) metala i legura zavisi pre svega od njihove temperature topljenja (Tt, K). Za tehnički čiste metale, ona približno iznosi , a za legure tipa čvrstog rastvora ; niskougljenični čelici imaju , što predstavlja granicu prerade na toplo i hladno.
Na ovaj se način otklanjaju posledice deformisanja na hladno niskougljeničnih čelika. Ovim vidom žarenja omogućuje se dalja prerada presovanjem, valjanjem i vučenjem. Rekristalizaciono žarenje je kratkotrajno kod tankih preseka, a veoma dugo kod debelih preseka zbog potrebe jednolikog progrevanja i rekristalizacije po celom preseku.
0.4r tT T≈ ⋅0.6r tT T≈ ⋅ 650rT C≈
Vreme
Tem
pera
tura
AC1
AC3 (ACm)
650 - 700 °C
Vreme zavisi od preseka dela
Proizvoljno
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 1212
Žarenje za otpuštanje napona
Otpuštanje napona ostvaruje se laganim zagrevanjem dela do temperature ispod tačke A1 (A1,3), zadržavanjem pri toj temperaturi i potonjim još sporijim hladjenjem nego pri zagrevanju.
Čelične odlivke i odlivke od livenog gvoždja treba žariti radi otpuštanja napona pri temperaturi 500-600°C
Čelični delovi, obradjeni plastičnom deformacijom na hladno žare se radi smanjenja napona na znatno nižim temperaturama (250-300°C ispod temperature rekristalizacije).
Ponekad se žarenjem pri temperaturi od 150°C izvodi tzv. stabilizaciono otpuštanje, uglavnom kod mernih i kontrolnih alata, da bi se postigla neophodna dimenziona stabilnost.
Vreme
Tem
pera
tura
AC1
AC3 (ACm)
150-650°C
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 7
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 1313
Kaljenje čelikaKaljenje čelika je termička obrada koja se izvodi zagrevanjem radnog predmeta iznad temperature Ac3, za podeutektoidne i A1,3 za nadeutektoidne čelike, progrevanjem na toj temperaturi i hladjenjem brzinom većom od kritične.
0 0.4 0.8 1.2 1.6500
600
700
800
900
1000
1100
1200
Tem
pera
tura
, °C
Austenit
Perlit + Ferit Cementit + Perlit
AC1
AC3
AC1,3
A Cm
Sadržaj C, maseni %
723°C
30-5
0°C Ms
Mf
0.2 0.6 1.0 1.4 1.8
0
200
400
600
-200
Sadržaj C, maseni %Te
mpe
ratu
ra,
°C
Kaljenje može biti zapreminsko i površinsko.
Zapreminsko kaljenje može biti martenzitno (M) (kontinualno, stepenasto) i bejnitno (B) (izotermičko). Redje se koriste i varijante prekidno martenzitno i kontinualno bejnitno kaljenje, kao i taložno kaljenje i "zamrzavanje".
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 1414
Kontinualno (obično) kaljenje
Izvodi se neprekidnim hladjenjem komada iz austenitnog područja do temperature ispod martenzitne promene Ms. Brzina hladjenja se bira tako da se spreči difuziona promena austenita sve do temperature martenzitnog preobražaja, gde on potpuno ili delimično prelazi u martenzit.
Tem
pera
tura
, °C
AC3
AC1
A
Ms
MfMartenzit
A→FA→P
A→B
A→M
Vreme (log)
Povr
šina
Jezg
ro
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 8
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 1515
Primenjuje se kod ugljeničnih
čelika tankih preseka (10-12 mm)
ili malih prečnika 8-10 mm.
Stepenastim kaljenjem smanjuju
se unutrašnji naponi, deformacije i
mogućnost pojave prslina.
Tem
pera
tura
, °C
AC3
AC1
A
Ms
MfMartenzit
A→FA→P
A→B
A→M
Vreme (log)Je
zgro
Povr
šina
Stepenasto martenzitno kaljenje (martempering)
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 1616
Izotermičko bejnitno kaljenje (austempering)
Čelik bejnitne strukture ima manju tvrdoću (40-58 HRC) od martenzitne, ali je znatno duktilniji (plastičniji) i žilaviji od čelika zakaljenog na martenzit i otpuštenog na istu tvrdoću.Izotermički se kale uglavnom delovi malih preseka, izradjeni od ugljeničnih i niskolegiranih čelika.
Tem
pera
tura
, °C
AC3
AC1
A
Ms
Mf Martenzit
A→F A→P
A→B
A→M
Vreme (log)
Ferit + perlit (krupni)
Ferit + perlit (sitni)
Gornji bejnit
Donji bejnitPovr
šina
Jezg
ro
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 9
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 1717
Kontinualno bejnitno kaljenje
Ovaj vid kaljenja moguć
je jedino za neke čelike
čiji KH dijagram ima
istureno koleno.
Vreme (log)
Ms
Mf
A→B
A→PA→F
A
AC1
AC3
Tem
pera
tura
, °C
T1
Bejnit + martenzit
Povr
šina Je
zgro
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 1818
Prekidno kaljenje
Prekidno kaljenje omogućuje da se deformacije delova pri kaljenju svedu na minimum, izbegnu prsline i dimenzijske greške.
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 10
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 1919
Kaljenje na niskim temperaturama
Ovim postupkom postiže se odgovarajuće povećanje tvrdoće i bolja stabilizacija strukture, smanjuju se unutrašnji strukturni naponi i time umanjuje sklonost ka spontanoj promeni specifične zapremine u toku vremena (tzv. starenje), što je u nekim slučajevima veoma značajno. Na primer, pri izradi preciznih mernih alata potrebno je ostvariti dimenzijsku stabilnost, koja neće biti poremećena u toku vremena, pa se oni često kale na niskim temperaturama.
Pri termičkoj obradi čelika na sniženim temperaturama povećava količina martenzita u strukturi, što dovodi, pre svega, do:
povećanja tvrdoće,
povećanja zapremine i
stabilizacije dimenzija.
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 2020
Otpuštanje
Martenzit je suviše krt da bi se čelični delovi sa takvom strukturom mogli
uspešno primeniti u mašinstvu. Osim toga, u njima zaostaju znatni
unutrašnji naponi. Zato se uvek posle kaljenja, izvodi naknadno
zagrevanje i sporo hladjenje - otpuštanje.
Ako se okaljeni (zakaljen) čelik zagreva, aktivira se difuzija atoma,
posebno ugljenika utoliko više, ukoliko je temperatura zagrevanja viša i
duže vreme držanja na toj temperaturi. Ovakav proces termičke obrade,
tj. naknadnog zagrevanja do ispod kritične temperature A1, držanja
kraće vreme na toj temperaturi i zatim laganog hladjenja (na primer, na
mirnom vazduhu), naziva se otpuštanje.
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 11
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 2121
Zavisno od temperature zagrevanja pri otpuštanju ugljeničnih čelika, razlikuju se:
nisko, srednje i visoko otpuštanje.
Pri niskom otpuštanjusopstveni naponi nastali pri kaljenju opadaju uz neznatno poboljšanje plastičnosti i održavanje visoke tvrdoće, jačine i otpornosti na habanje. Uglavnom se koristi za alate, opruge, kontrolnike. Isto tako, nisko se otpuštaju delovi posle površinskog kaljenja, cementacije, cijanizacije ili karbonitriranja.
Ms
Mf
Martenzit 65HRC
Otpuštenimartenzit
Austenit
Tem
pera
tura
, °C
10210 103 104 105 106
700
600
500
400
300
200
100
0
∼750
∼500
∼250
SorbitVisoko otpuštanje
TrustitSrednje otpuštanje
MartenzitNisko otpuštanje
Vreme, (logt), s
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 2222
Ms
Mf
Martenzit 65HRC
Otpuštenimartenzit
Austenit
Tem
pera
tura
, °C
10210 103 104 105 106
700
600
500
400
300
200
100
0
∼750
∼500
∼250
SorbitVisoko otpuštanje
TrustitSrednje otpuštanje
MartenzitNisko otpuštanje
Vreme, (logt), s
Pri srednjem otpuštanjujačina i napon tečenja ostaju isti kao i posle kaljenja, ali raste granica elastičnosti, otpornost na relaksaciju i dinamička izdržljivost (zbog pojave spoljašnjih pritiskujućih napona pri hladjenju u vodi). Zato se na ovaj način otpuštaju delovi kao što su opruge (lisnate, zavojne), poluge za balansiranje, matrice i sl.
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 12
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 2323
Ms
Mf
Martenzit 65HRC
Otpuštenimartenzit
Austenit
Tem
pera
tura
, °C
10210 103 104 105 106
700
600
500
400
300
200
100
0
∼750
∼500
∼250
SorbitVisoko otpuštanje
TrustitSrednje otpuštanje
MartenzitNisko otpuštanje
Vreme, (logt), s
Pri visokom otpuštanjupostiže se najbolja duktilnost i žilavost.
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 2424
Poboljšanje
Kaljenje i visoko otpuštanje zajedno se nazivaju poboljšanje. U poredjenju sa čelikom u normalizovanom ili žarenom stanju, kaljenje praćeno visokim otpuštanjem dovodi do istovremenog povećanja jačine i napona tečenja, istegljivosti, suženja i naročito udarne žilavosti. Pošto se sve osobine popravljaju, to se termička obrada kaljenje + visoko otpuštanje zove poboljšanje.
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 13
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 2525
Reaustenitizacija
Mašinski deo, koji je prethodno
okaljen sa uobičajene temperature
kaljenja, naknadno se zagreva do
nešto više temperature i odmah
potom kali. U toku zagrevanja jedan
deo ugljenika difunduje na granice
zrna i obrazuje fini cementit, a drugi
deo (oko 0.3% C) ostaje rastvoren u
austenitu. To znači da se kao
konačna struktura dobija martenzit
sa 0.3% C i fini cementit, što
predstavlja najbolju kombinaciju
svojstava otpornosti (Rm, R0.2) i
svojstava deformacije (A5 i Z).
Vreme
Tem
pera
tura
AC1
AC3 (ACm)
Prvokaljenje
Drugokaljenje
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 2626
Termo-mehanička obrada (TMO) i reaustenitizacija
Termo-mehanička obradaTMO je zasnovana na plastičnom deformisanju austenita i potonjoj martenzitnoj promeni. U poredjenju sa konvencionalnim poboljšanjem dobija se viša granica tečenja, te povećanje jačine na kidanje i duktilnosti.
Na osnovu temperature na kojoj se TMO izvodi razlikujemo:
visokotemperatursku termo-mehaničku obradu (VTMO) i
niskotemperatursku termo-mehaničku obradu (NTMO).
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 14
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 2727
Površinsko kaljenje
Površinsko kaljenje je termička obrada
kojom se zakaljuju samo površinski slojevi
komada, dok njegovo jezgro zadržava
početnu strukturu. Tako se dobija velika
površinska tvrdoća uz veliku žilavost i
manju tvrdoću jezgra što je poželjno kod
delova od kojih se traže sledeće osobine:
velika otpornost površine protiv habanja,
povećana otpornost protiv udarnog
dinamičkog opterećenja i
visoka granica zamaranja površine.
Tem
pera
tura
Udaljenost od površine
AC3
AC1
I II III
2 4 6 800
20
40
60
Udaljenost od površine, mm
Tvrd
oća
HR
CRaspodela temperature i tvrdoće na različitim udaljenostima od kaljene površine
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 2828
Površinsko kaljenje se sastoji iz brzog zagrevanja površinskih slojeva
do temperature kaljenja i zatim brzog hladjenja; pri tome se austenit
u površinskim slojevima preobražava u martenzit.
Prema izvoru toplote razlikujemo:
površinsko kaljenje plamenom i
indukciono površinsko kaljenje.
Površinski okaljen sloj zupčanika
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 15
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 2929
Površinsko kaljenje plamenom
Površinsko kaljenje plamenom može se izvesti na postupan način ili izjedna.
a) b)
Primeri površinskog kaljenja cilindričnih površina: a) postupno kaljenje, b) kaljenje izjedna
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 3030
Indukciono površinsko kaljenje
Pri indukcionom zagrevanju se na površini komada generiše struja (Ik) iste frekvencije ali suprotnog smera od struje koja protiče kroz induktor (Iind). Površinski slojevi se najpre zagrevaju sekundarnim strujama, a zatim se zakaljuju prskanjem vodom ili potapanjem u kadu.Za utvrdjivanje dubine prodiranja struje važi izraz:
gde je: f – frekvencija naizmenične struje,ρ - specifični električni otpor iμ - magnetni permeabilitet.
Za čelik se gornji izraz može svesti na:
, mm.Pošto je dubina sloja obrnuto srazmerna frekvenciji, znači da će dubina progrejanog sloja opadati sa porastom frekvencije.
mmf
,1003.5 4
μρδ⋅
⋅⋅=
60 / fδ =Induktor za površinsko indukciono kaljenje
Mašinski fakultet u Kragujevcu
Dr Dragan Adamović, docent 16
MaMaššinski materijali inski materijali -- Dr Dragan AdamovicDr Dragan Adamovic 3131