Pri ohlajanju
se lahko avstenit spremeni v različne strukture. Katere strukture nastanejo je odvisno od
temperature transformacije. Na temperaturo transformacije vplivamo s hitrostjo ohlajanja
(HO). Pri manjših HO se transformacija izvrši pri višjih, pri velikih HO pa pri nižjih
temperaturah.
a) Ravnotežna transformacija. Transformacija je
ravnotežna, če poteka v skladu z diagramom Fe – Fe3C. To
se dogaja, če so hitrosti ohlajanja manjše od 10°C/s. Strukture, ki pri tem
nastanejo so lamelasti perlit, ferit in cementit.
b) Neravnotežna transformacija.
|
Z naraščanjem HO,
se oblika diagrama začne spreminjati. Črti Ar3 in Ar1 se pomikata
proti nižjih temperaturah, hkrati se manjša tudi njihova oddaljenost. Transformacija
poteka vedno bolj nižje in v ožjem
temperaturnem intervalu. Lamele cementita, ki nastajajo iz izločenega ogljika, postajajo
vedno bolj drobne in enakomerno porazdeljene znotraj feritnih kristalnih zrn. Trdota in
trdnost struktur, ki pri tem nastajajo, se veča, žilavost pa pada. Pri določeni HO se
črti Ar3 in Ar1 združita v eno samo črto, ki označuje
z Ar`. V takem primeru se transformacija izvrši hitro in pri stalni temperaturi. Ta
hitrost se imenuje spodnja kritična hitrost
ohlajanja (SPHO). Pri tej hitrosti se v strukturi začne pojavljati bainit.
Transformacija se izvrši pri temperaturah pod 550°C. Pri nekoliko nižji temperaturi
transformacije, pod 300°C, se pojavi nova črta, ki se označuje z Ar``. Pri še večji
hitrosti ohlajanja črta Ar` izgine. V tem primeru, iz avstenita nastaja tipična kalilna
struktura to je martenzit. Ta hitrost ohlajanja se imenuje zgornja kritična hitrost ohlajanja (ZKHO). |
 |
Diagram podaja strukture, ki nastanejo pri različnih
temperaturah transformacije. Pri manjših
hitrostih ohlajanja, ko se transformacija izvrši do 600°C nastane lamelast perlit. Pri
zelo majhnih hitrostih ohlajanja ali daljšem žarjenju, zaradi difuzijskih procesov, se
lamele med seboj združujejo in dobijo zrnato sferoidno obliko. Pri transformaciji v
temperaturnem intervalu 600 do 500°C so lamele cementita še bolj drobne. Nastala
struktura se imenuje sorbit. Še bolj drobne lamele cementita nastajajo pri trustitu, ki
nastane pri nižjih temperaturah od sorbita. Velike HO premaknejo transformacijo v
temperaturah 350 do150°C. Pri teh temperaturah je difuzija atomov zelo majhna, zato se
sprememba kristalne rešetke (g ? a) izvrši s preklopom (hkratnim premikom
kristalnih ravnin). |
Zelo velike
hitrosti ohlajanja premaknejo transformacijo pod 100°C. Pri tako nizki temperaturi se
transformacija ne izvrši. Avstenit ostane nespremenjen in ima enako zgradbo in lastnosti
kot pri temperaturah nad Ar3. Zadržani avstenit se lahko spremeni v
avstenit s hitrim ohlajanjem na temperaturah pod -60°C. Pri ponovnem segrevanju, se vsaka
nižje ležeča struktura, lahko spremeni v višje ležečo. Pri žarjenju nad 200°C se
martenzit spremeni v (popustni) martenzit ali bainit. Pri segrevanju nad 600°C se bo
martenzit spremenil v perlit. Nikakor, pa ni možna sprememba perlita ali sorbita v bainit
oziroma martenzit. Temperaturna območja transformacije avstenita v naštete strukture so
informativne in veljajo le za navadna ogljikova jekla. Za legirana jekla so te temperature
lahko popolnoma drugačne. Legirana martenzitna ali avstenitna jekla, imajo martenzitno
ali avstenitno strukturo, ne glede na HO. Strukture, ki nastanejo, pri različnih
hitrostih ohlajanja danega jekla, nam podajajo TTT diagrami.
Zrnati perlit je zgrajen iz ferita in cementita
krogličaste oblike. Nastane po daljšem žarjenju ali ohlajanju z zelo majhnimi HO. Pri
temperaturah nad Ac1 so difuzijski procesi atomov intenzivni
tako, da se lamele med seboj združujejo in krčijo. Strokovno se ta procesa imenujeta
koagulacija in sveroidizacija. Jekla s tako strukturo imajo manjšo trdnost in trdoto ter
boljšo obdelavnost.
Lamelasti perlit je struktura, ki pri navadnih
jeklih, nastane pri normalnih hitrostih ohlajanja. Lamele perlita so vidne že pri 50 do
100 kratni povečavi. Njegove lastnosti smo spoznali pri obravnavi diagrama Fe – Fe3C.
Sorbit in trustit (troostit) nastajata v
temperaturnem intervalu 600 do 500°C, po združitvi črt Ar3 in Ar1. Difuzija ogljikovih atomov pri the
temperaturah je zelo majhna, zato so lamele cementita drobne in so opazne pod mikroskopom
pri 1000 do 3000 kratni povečavi. Zaradi drobnosti in enakomerne porazdelitve Fe karbidov
v strukturi in prisotnosti čistih feritnih zrn. Troostit in sorbit imata boljšo trdnost
in trdoto od navadnega perlita.
Bainit nastane, če se transformacija
avstenita izvrši v temperaturnem intervalu med 500 do 250 °C. Pri the temperaturah je
difuzija (gibljivost) atomov zelo majhna. Zato se kristalna rešetka avstenita (avstenit ? ferit + Fe3C) spremeni s preklopom. Atomi
raztopljenega ogljika pa lahko naredijo zelo majhne premike. Lamele cementita so peresasto
porazdeljeni, so zelo drobni in se ločijo pri povečavah okrog 5000 krat. Bainit je
nekoliko manj trd od martenzita. Zaradi manjših notranjih napetosti je bolj žilav in
trden.
Martenzit je najtrša struktura, ki nastane pri
transformaciji avstenita. Začne nastajati, ko je HO večja od SKHO oziroma v
temperaturnem intervalu med 200 in 150 °C. Tudi v tem primeru, se sprememba kristalne
rešetke izvrši s preklopom. Difuzija atomov pri teh temperaturah je zelo majhna, zato
večji delež ogljika ostane prisilno raztopljen v kristalni rešetki ferita. Prisilno
raztopljen ogljik povzroča, da se kristalna rešetka ne spremeni v prostorno centrirano
kocko ampak v tetragonalno. Martenzit je prisilna raztopina ogljika v tetragonalnem
feritu. Tetragonalnost, razlika med stranicami a in c (c> a), je odvisna od deleža raztopljenega
ogljika. Deformacije kristalne rešetke povzroča povečano trdoto in trdnost martenzita.
Struktura martenzita je igličasta.
Zadržani avstenit se pojavlja pri kaljenju
visoko-ogljikovih oziroma legiranih jekel. Njegov delež je večji, če je kaljenje
izvedeno pri temperaturah, ki so višje od normalne. Nastane zato, ker velike HO
premaknejo transformacijo pri temperaturah pod 100°C. Pri teh temperaturah,
transformacija ni možna in zato izostane. Zadržani avstenit je trd, trden in plastičen
kot normalen avstenit. Njegova prisotnost v zakaljenih izdelkih ni zaželena. S hitrim
ohlajanjem, pri temperaturah pod -60°C, se zadržani avstenit spremeni v martenzit.