CURS 8 - Tratamente termice de imbunatatire

CURS 8 - Tratamente termice de imbunatatire 8.1 Obiective In urma parcurgerii cursului studentul va putea: Sa cunoasca importanta si efectul tratamentului de imbunatatire; Sa cunoasca etapele unui tratament de imbunatatire; Sa cunoasca tratamentul de calire aplicabil in cazul materialelor metalice din categoria otelurilor; Sa cunoasca tratamentul de revenire aplicabil in cazul materialelor metalice din categoria otelurilor. 8.2 Generalităţi privind tratamentele de îmbunătăţire Tratamentele de îmbunătăţire au ca scop: modificarea esenţială a structurii prin schimbarea naturii constituenţilor normali şi obţinerea astfel a unor valori ridicate pentru proprietăţile mecanice. Îmbunătăţirea cuprinde două faze distincte: călirea revenirea. Condiţia de bază pentru efectuarea tratamentului termic de călire constă în existenţa în diagrama de echilibru a sistemului de aliaje considerat, a unor linii sau curbe de transformare în stare solidă: fier - carbon, aluminiu - cupru, aluminiu - cupru - magneziu, aluminiu - siliciu - magneziu. Structura de călire, datorită tensiunilor interne remanente de ordin structural, este prea dură şi fragilă. Pentru a atenua această duritate şi pentru a obţine o tenacitate mai bună, piesele călite se supun în continuare tratamentului termic de revenire. Aceasta constă în reîncălzirea pieselor călite la temperatură relativ joasă (sub punctele critice de transformare în stare solidă, menţinere şi răcire relativ rapidă a pieselor). Rezulta o micşorare relativ accentuată a fragilităţii precum şi a durităţii, concomitent cu mărirea corespunzătoare a plasticităţii şi rezistenţei materialului. Aplicarea corecta a tratamentului termic de călire şi revenire se poate face numai în condiţiile cunoaşterii mecanismului şi cineticii transformării austenitei sub influenţa diferiţilor factori. Cel mai important factor care influenţează transformarea menţionată anterior este temperatura. În general, temperatura se descompune la temperaturi mai mici de 723 0 C, în ferită şi cementită secundară. Ferita este o soluţie solidă a fierului α, iar cementita secundară un compus Pag. 1

chimic definit al fierului α cu carbonul (conţine 6,67% C, indiferent de temperatură). Descompunerea austenitei are loc în condiţiile producerii a două fenomene: schimbarea stării alotropice a fierului, din fier γ în fier α şi scăderea bruscă a solubilităţii carbonului. Fenomenele se bazează pe procesele de difuzie a atomilor de fier şi carbon. Se deosebesc trei intervale de temperaturi, corespunzătoare transformărilor perlitice, bainitice sau martensitice. Dacă se urmăreşte analizarea transformărilor austenitei la diferite temperaturi menţinute constante pe toată durata transformărilor, se consideră austenita răcită rapid până în intervalul plastic, la o temperatură T1 constantă pe toată durata transformării. În consecinţă procesul de formare al perlitei poate fi reprezentat corespunzător pe o curbă, indicându-se cantitatea de austenită transformată în perlită [%] în funcţie de timpul [s] în care s-a derulat procesul. Perlita se formează din austenită după un timp tind, numit perioadă de inducţie sau incubaţie. Panta curbei indică viteza de transformare a austenitei. Viteza maximă se obţine când s-a transformat aproximativ 5% din cantitatea de austenită, după care viteza scade până la în momentul încheierii procesului de transformare (punctul b). Procesul de formare a perlitei Formarea întregii cantităţi de perlită corespunde unui timp total tt. Dacă se trasează aceste curbe şi pentru alte temperaturi menţinute constante în domeniul perlitic (723...500 0 C), cu T1 > T2 > T3 > T4, atunci se obţine o familie de curbe cinetice care descriu transformarea austenitei la diferite grade de subrăcire. Gradul de subrăcire este dat de relaţia: T = 723 0 C T 0 C. Pag. 2

Familiile de curbe cinetice care descriu transformarea austenitei la diferite grade de subrăcire Dacă se reprezintă procesul de transformare al austenitei în funcţie de gradul de subrăcire într-o diagramă în care pe abscisă se consideră timpul la scara logaritmică, iar pe ordonată temperatura [ 0 C], atunci se obţine aşa numita diagramă TTT (transformare - timp - temperatură). Din diagrama TTT a unui oţel eutectoid (C = 0,77%) se observă că cea mai mică durată a perioadei de incubaţie şi tot odată cea mai redusă durată a transformării, se obţin pentru T = 550 0 C. La nivelul acestui minim, numit cot perlitic, austenita se transformă în troostită. Cunoaşterea diagramei TTT prezintă o importanţă deosebită în practica tuturor tratamentelor termice, atât pentru recoaceri cât şi pentru călire, deoarece introduce factorul timp în studiul procesului de transformare al austenitei. Utilizarea practică a acestei diagrame constă în stabilirea cu precizie, pentru fiecare marcă de oţel, a gradului de subrăcire şi a timpului maxim de realizare a acestui grad de subrăcire pentru a obţine o anumită structură şi ca urmare, alegerea corectă a mediului şi a condiţiilorde răcire. Pag. 3

Diagrama T.T.T. (transformare-timp-temperatură) De exemplu, dacă vrem să obţinem o structură pur troostitică, alegem izoterma T1=520 0 C şi timpul t =1,2 s. Gradul de subrăcire este de: T1 = 800-520 = 280 0 C, iar viteza de răcire: Vr1 = T1/t = 280/1,2 233 0 C/s. O asemenea valoare a vitezei poate fi realizată folosind apa sau uleiul de in. 8.3 Tratamentul de călire Călirea oţelurilor constă în încălzirea lor în domeniul austenitic urmată de o răcire energică. Prin viteză critică se înţelege cea mai mică viteză de răcire care asigură parcurgerea intervalului de minimă stabilitate a austenitei fără intersectarea curbelor în C. Cu cât curba în C este mai deplasată spre dreapta, cu atât viteza de călire este mai mică. Deplasarea spre dreapta a curbei are loc datorită conţinutului de carbon şi elementelor de aliere care măresc stabilitatea austenitei la transformare. Pag. 4

Viteza de răcire a oţelurilor La oţelurile carbon, viteza critică este de 500...600 0 C/s. În tratamentul de călire, pe lângă factorul viteză de răcire, un rol forate important îl au şi elementele de aliere: nichelul, cromul, molibdenul, siliciul, wolframul, vanadiul. Toate acestea se dizolvă în austenită şi frânează difuziunea atomilor de carbon, deci acţionează în acelaşi sens cu viteza la întârzierea formării austenitei, deci la mărirea stabilităţii ei. În aceste condiţii se poate ajunge la menţinerea structurii austenitice până la temperatura mediului ambiant - oţeluri austenitice-inoxidabile. Factorii care trebuie analizaţi în scopul stabilirii corecte a regimului termic de călire a unui oţel sunt: compoziţia chimică, temperatura de austenitizare şi durata de menţinere, mediul de răcire (viteza de răcire să fie mai mare decât viteza critică). La călirea unei piese, viteza de răcire este mai mare la suprafaţă decât în miez, în acest fel ea poate să depăşească la suprafaţă viteza critică de răcire, în timp ce în miez este mai mică decât aceasta. În consecinţă, la suprafaţă austenita se transformă în martensită, iar în miez suferă transformarea perlitică, deci piesa nu este călită pe întreaga secţiune. În figura urmatoare se prezintă curba de variaţie a vitezei de răcireîntr-o piesă cilindrică în raport cu viteza critică de răcire. Pag. 5

Curba de variaţie a vitezei de răcire Se numeşte călibilitate proprietatea oţelului de a se căli, caracterizată printr-o duritate minimă şi prin adâncimea de călire. Adâncimea de călire se consideră convenţional, ca fiind distanţa de la suprafaţă până la stratul cu structură semimartensitică (50% martensită, 50% troostită). Călibilitatea este mărită de factorii care cresc stabilitatea austenitei subrăcite faţă de descompunerea cu difuzie, respectiv acei factori care deplasează spre dreapta curbele TTT. Dintre aceştia, compoziţia austenitei este factorul cel mai important. Creşterea conţinutului de carbon micşorează viteza critică şi, în consecinţă, călibilitatea. De astfel, oţelurile având sub 0,2% C sunt necălibile. Elementele de aliere, cu excepţia cobaltului, au acelaşi efect. Creşterea dimensiunii grăuntelui de aliere, cu excepţia cobaltului, au acelaşi efect. Creşterea dimensiunii grăuntelui austenitic reduce suprafaţa de separaţia dintre cristale pe care are loc de preferinţă, transformarea cu difuzie şi deci măreşte călibilitatea. Carburile nedizolvate şi incluziunile reduc această proprietate a oţelului, deoarece servesc ca germeni pentru transformarea perlitică. La examinarea suprafeţei de rupere a oţelului, zona călită are un aspect neted cenuşiu cu aspect de porţelan, în timp ce miezul necălit este grăunţos sau fibros. Metoda obişnuită de călire, numită călire cu răcire continuă, constă în cufundarea piesei încălzite până la temperatura de călire într-un mediu de răcire care să asigure viteza necesară obţinerii structurii martensitice. Viteza de răcire se stabileşte din curba TTT. De obicei, oţelurile cu călibilitate redusă se răcesc în apă, iar cele cu călibilitate ridicată, în ulei sau în aer. Pentru reducerea deformărilor produse de tensiuni se recomandă ca piesele cilindrice să fie introduse în mediul de răcire în poziţie verticală, iar discurile se introduc cu diametrul perpendicular pe suprafaţa băii. Pag. 6

Metode de călire Pentru reducerea tensiunilor interne se poate aplica aşa numita călire întreruptă la care se folosesc două medii de răcire, apa şi apoi uleiul sau călirea în trepte, cu răcire într-o baie cu săruri şi menţinere până la egalizarea temperaturii pe întreaga secţiune, urmată de o răcire în ulei sau în aer. Datorită omogenizării temperaturii pe întreaga secţiune, la ransformarea martensitică ulterioară, tensiunile, deformaţiile şi pericolul deformării pieselor sunt diminuate prin faptul că transformarea are loc în toată masa. O altă metodă, călirea izotermă, se caracterizează printr-o încălzire deasupra punctului critic şi o răcire şi o menţinere într-o baie de săruri topite, până la transformarea austenitei în bainită. Se asigură astfel obţinerea unor caracteristici mecanice bune, respectiv duritate şi rezistenţă înalte, asociate cu o tenacitate satisfăcătoare. Aceste calităţi sunt date de structura bainitei, formată din particulele globulare foarte fine de carburi în matricea de ferită. Tratamentul poate fi condus în aşa fel încât în structură să rămână o cantitate de 10...20% austenită reziduală, în care caz la o scădere redusă a durităţii şi a rezistenţei se obţine o creştere importantă a calităţilor plastice. Călirea sub zero grade are drept ca scop principal stabilizarea dimensiunilor pieselor. Austenita reziduală se transformă treptat în martensită la temperatura ambiantă, această transformare fiind însoţită de creştere de volum, deci de modificarea dimensiunilor. Însă dimensiunile unor piese ca bile şi role de rulmenţi, calibre sau scule de măsurare trebuie să rămână stabile cu o precizie foarte mare. De aceea, ele se supun tratamentului sub zero grade. Un alt scop Pag. 7

este creşterea durităţii şi rezistenţei la uzură datorită reducerii cantităţii de austenită reziduală. Totodată, se evită fisurarea pieselor la rectificare, deoarece austenita este descompusă. Tratamentul sub zero grade se efectuează imediat după o călire obişnuită, la temperaturi până la -80 0 C. Călirea superficială este o metodă de durificare la suprafaţă a oţelului şi constă din încălzirea pe o adâncime mică urmată de o răcire rapidă. În acest fel se obţine o înaltă rezistenţă şi duritate a stratului superficial cu un miez moale şi tenace. Încălzirea pieselor se poate face prin inducţie cu curenţi de înaltă frecvenţă, în electrolit sau cu flacără acetilenică şi prezintă ca avantaj o viteză mare de încălzire, înlăturându-se astfel pericolul oxidării şi decarburării. 8.4 Tratamentul de revenire Revenirea este mijlocul principal şi necesar pentru reducerea tensiunilor interne remanente (cu valori în jur de 60 kgf/mm 2 ) şi a stării de fragilitate ridicată. Se aplică oţelurilor călite cu scopul de a atenua duritatea ridicată a martensitei în avantajul unei bune tenacităţi şi a înlătura tensiunile interne remanente. Tratamentul constă în reîncălzirea pieselor călite dar de data aceasta, la temperaturi de A1 urmată de o răcire relativ lentă, de obicei în aer. În funcţie de temperatura de încălzire avem: revenirea joasă, revenirea medie, revenirea înaltă. Revenirea joasă. La acest tip de revenire piesele se reîncălzesc la o temperatura de 150...200 0 C şi se menţin timp de mai multe ore (20...50h). Răcirea se face în aer. Martensita tetragonală se transformă în martensită cubică prin separarea unei carburi ce diferă de cementită prin tipul reţelei şi conţinutul mai ridicat de carbon. În principiu, piesele călite şi supuse tratamentului termic de revenire joasă îşi menţin structura martensitică dură, rezistentă la uzură prin frecare, dar tenacitatea este redusă, menţinându-se pericolul ruperii fragile mai ales la solicitări prin şoc. Se aplică la scule, matriţe, rulmenţi, calibre, proiectile perforante. Revenirea medie se caracterizează prin temperatura de reîncălzire de 250...350 0 C şi o structură de martensită de revenire şi troostită, de 350...450 0 C şi o structură de troostită de revenire sau de 450...550 0 C şi o structură de sorbită de revenire şi troostită. Modificările care tind să anuleze echilibrul fizico-chimic al oţelului sunt posibile datorită favorizării proceselor de difuzie a atomilor de către temperaturile mai înalte ale acestui regim. Se aplică oţelurile Pag. 8

pentru arcuri, când se cere combinarea unei rezistenţe şi elasticităţi ridicate cu o bună tenacitate. Revenirea înaltă este cea mai frecvent întâlnită. Piesele se reîncălzesc în intervalul de temperaturi de 550...650 0 C, se menţin 1...2 h şi apoi se răcesc în aer. Prin difuzie are loc transformarea completă a martensitei într-un amestec mecanic fin, dispers de cementită secundară globulară şi ferită numită sorbită de revenire. Temperatura de revenire influenţează proprietăţile mecanice prin aceea că determină gradul de dispersie a carburilor în amestecul ferităcarburi. Astfel, prin revenire la temperaturi de 500...550 0 C se obţine un grad înalt de dispersie a carburilor şi în consecinţă, rezistenţă şi duritate ridicată, în timp ce prin revenire la temperaturi de 550...650 0 C, datorită coagulări carburilor şi deci a micşorării gradului lor de dispersie, rezistenţa şi duritatea vor scădea, iar calităţile de tenacitate (alungire la rupere, rezilienţă) vor creşte, valorile cele mai ridicate fiind obţinute prin revenirea la temperaturi în apropierea punctului critic A1. Aceleaşi structuri şi proprietăţi mecanice se pot obţine prin menţinerea de scurtă durată la o temperatură înaltă, sau prin menţinerea îndelungată la o temperatură joasă. Oţelurile aliate şi în mod deosebit cele aliate cu crom şi nichel prezintă particularitatea de a avea în urma revenirii o rezilienţă mai mică decât cea corespunzătoare călirii. Fenomenul de scădere accentuată a tenacităţii se numeşte fragilitate de revenire. Apare la temperatura de 450...600 0 C şi se combate printr-o răcire energică în ulei sau apă. O influenţă deosebit de favorabilă o are adaosul de elemente ca molibdenul, wolframul, niobiul, în cantităţi mici de 0,2...0,5%. De exemplu, la oţelurile crom - nichel s-a constatat că, prin adăugarea molibdenului sau wolframului în compoziţie, au devenit insensibile la fragilitatea de revenire, ceea ce le permite să fie folosite la construcţia organelor de maşini care sunt supuse mai ales la solicitări variabile. Călirea şi revenirea joasă pot fi grupate într-o singură operaţie numită călire cu autorevenire. Un capăt al piesei încălzite este scufundat, pentru o scurtă perioadă de timp, în apă. Stratul superficial este astfel călit la martensită şi apoi revenit datorită alimentării cu căldură din capătul nerăcit. În acest mod se obţine la suprafaţă martensită de revenire, ce asigură o bună duritate şi rezistenţă la uzură, concomitent cu o bună tenacitate în partea necălită a piesei (sculei). Activitati: Incercati sa identificati diagramele TTT in cazul otelurilor eutectoide si sa descrieti etapele tratamentului de imbunatatire aplicabil Pag. 9

acestora. Bibliografie: 1. Mutiu T.A. - Studiul metalelor, Editura I.C.P.A.I.U.C., Bucuresti, 1985; 2. Schwartz H. - Elementa practice de metalurgie fizica, Editura Tehnica, Bucuresti, 1956; 3. Schumann H. - Metalurgie fizica, Editura Tehnica, Bucuresti, 1955; 4. Horia Colan Studiul metalelor si tratamente termice Editura Didactica si Pedagogica, Bucuresti; Teste: 1. Care este tratamentul termic care presupune calire urmata de revenire? a) Recoacere; b) Imbatranire; c) Imbunatatire. 2. Tratamentului termic de imbunatatire se poate face numai în condiţiile cunoaşterii mecanismului şi cineticii transformării a) Austenitei; b) Ledeburite; c) Feritei. 3. Reprezentare procesului de transformare al austenitei în funcţie de gradul de subrăcire într-o diagramă în care pe abscisă se consideră timpul iar pe ordonată temperatura se numeste? a) Diagrama MMM; b) Diagrama TNT; c) Diagrama TTT. 4. Care este tratamentul termic care constă în încălzirea în domeniul austenitic urmată de o răcire energică? a) Imbunatatire; b) Calire; c) Recoacere. 5. Ce tratament termic este mijlocul principal şi necesar pentru reducerea tensiunilor interne remanente şi a stării de fragilitate ridicată? a) Recoacere; b) Calire; c) Revenire. 6. Ce metoda de călire constă în cufundarea piesei încălzite până la temperatura de călire într-un mediu de răcire care să asigure viteza necesară obţinerii structurii martensitice? a) Călire cu răcire intrerupta; b) Călire izoterma; c) Călire cu răcire continua. Pag. 10

Grila de evaluare 1. c 2. a 3. c 4. b 5. c 6. c Pag. 11