oțelurilor

4. Activități Tratamentul termic al oțelurilor


Activitatea 4.1
Importanța tratamentelor termice ale oțelului

Care sunt tratamentele termice ale oțelului? Factorii implicați în tratament. Caracterizare grafică.

Activitatea 4.3
Definiția Fe-C martensite. Proprietăți.

Activitatea 4.9
Descrieți semnificația fiecăruia dintre graficele din Figura 4.5


Activitatea 4.1
Importanța tratamentelor termice ale oțelului

Oțelul este cel mai important dintre toate produsele din oțel și acest lucru este confirmat de faptul că 80% din fierul lichid produs în furnalele este dedicat producției sale. Unul dintre faptele care justifică importanța oțelului în industrie este posibilitatea de a obține o mare varietate de proprietăți cu același tip de material. De exemplu, putem avea oțeluri maleabile pentru plăci, oțeluri inoxidabile pentru lucru în medii umede, oțeluri magnetice pentru aplicații electromecanice, oțeluri cu duritate ridicată și rezistență la uzură și temperaturi ridicate pentru unelte de tăiere etc.


O mare parte a variabilității proprietăților se datorează diferitelor tratamente la care este supus oțelul, printre care se numără laminarea, forjarea, tratamentele termice precum stingerea, recoacerea, călirea și normalizarea, tratamentele de suprafață precum cimentarea și nitrurarea etc.



Activitatea 4.2
Care sunt tratamentele termice ale oțelului? Factorii implicați în tratament. Caracterizare grafică.

Tratamentele termice constau în supunerea oțelului la o combinație de operații de încălzire și răcire cu timpi determinați, pentru a varia proporțiile constituenților săi și a produce astfel proprietățile dorite asupra acestuia. Variațiile proprietăților din material care apar ca urmare a tratamentului termic trebuie să fie permanente, altfel tratamentul termic nu ar avea niciun sens.


Cele mai frecvent utilizate tratamente termice sunt stingerea, călirea, recoacerea și normalizarea. Toate procedurile se bazează pe transformarea sau descompunerea austenitei. Prin urmare, primul pas în orice tratament termic al unui oțel va fi încălzirea materialului la temperatura care duce la formarea austenitei.


Temperatura și timpul sunt principalii factori care influențează un tratament termic și trebuie stabilite întotdeauna în avans, în funcție de compoziția oțelului, forma și dimensiunea pieselor care urmează să fie obținute.


Prin reprezentarea temperaturii în funcție de timp, orice tratament termic poate fi caracterizat. Într-un mod foarte generalizat, pot fi luate în considerare următoarele puncte importante: temperatura maximă de încălzire, Tmax, la care materialul este încălzit în timpul tratamentului termic, timpul de păstrare la temperatura maximă, tm, și ratele de încălzire și răcire.


Există două valori ale temperaturii în timpul încălzirii, care sunt importante de evidențiat: temperatura AC 1 sau cea la care începe să apară constituentul austenitic (723 o C) și temperatura AC 3 sau cea la care întreaga masă de oțel a fost deja transformată în austenită (între 723 o C și 1.148 o C); valorile specifice ale acestor temperaturi variază în funcție de proporția de carbon conținută în oțel.

Diagrama de fază Fe-Fe3C (figura 4.2) este baza pentru studierea tratamentelor termice ale oțelurilor, în special doar partea din diagramă corespunzătoare aliajelor a căror concentrație nu depășește 2% din C, astfel încât partea care într-adevăr interesează este colorat.




Activitatea 4.3
Definiția Fe-C martensite. Proprietăți.

Martensitul este constituentul tipic al oțelurilor temperate. Este definită ca o fază metastabilă formată dintr-o soluție solidă supersaturată interstițială de carbon în rețeaua cristalină a fierului BCC sau a fierului tetragonal centrat în corp.


Conținutul de carbon al martensitei tinde să varieze, în general de la urme mici la 1% C. Duritatea și rezistența martensitelor Fe-C sunt direct legate de conținutul lor de carbon și cresc odată cu acesta. Cu toate acestea, ductilitatea și rezistența scad odată cu creșterea conținutului de carbon. Au o rezistență maximă la tracțiune de la 1600 la 2400 MPa, o alungire între 0,5 și 2,5% și o duritate între 495 și 745 unități Brinell.



Activitatea 4.4
Descrieți următoarele tipuri de martensite Fe-C prezente în oțelurile cu carbon: (a) martensită în benzi (b) martensită în foi




Activitatea 4.5
Templul. Caracteristici și obiectiv.

Temperarea se aplică atunci când doriți să obțineți un oțel cu duritate ridicată și rezistență mecanică. Dezavantajul este că face fragila piesa călită.


Acesta constă în obținerea unui oțel format dintr-o proporție mare de martensită. La fel ca martensita, acestea se obțin prin răcirea rapidă a austenitei, tratamentul constând în:

    Încălziți oțelul până când întreaga sa masă este transformată în austenită. În funcție de procentul de carbon din oțel, temperatura care va trebui atinsă (AC3) va fi mai mare sau mai mică.

  • Răciți rapid proba pentru a vă asigura că toată austenita s-a transformat în martensită. Pe măsură ce se produce răcirea, temperatura la care începe transformarea din austenită în martensită se numește temperatura de pornire a martensitei, Ms; și temperatura la care se termină transformarea, temperatura finală a martensitei, Mf. Temperatura Ms scade pe măsură ce procentul în greutate de carbon din aliaj crește așa cum se arată în figura 4.4.

    • Pentru fiecare tip de oțel există o rată minimă de răcire care asigură transformarea completă în martensită. De exemplu, pentru oțelurile cu carbon este între 200 și 600 o C/s; în cazul oțelurilor aliate temperatura este de obicei de 50 o C/s.

    Pentru a face o piesă să se tempereze, este necesar să o răciți cu o viteză puțin mai mare decât cea minimă. În unele cazuri, pot apărea deformări sau fracturi dacă se aplică rate de răcire excesive. Pentru a atinge diferite viteze de răcire, piesele sunt scufundate în diferite medii: apă, săruri topite, uleiuri minerale, plumb topit, mercur, aer la temperatura camerei etc.

    Uneori este interesant doar să întăriți un strat exterior al piesei, păstrând partea internă neîntărită pentru a nu-și pierde duritatea și pentru a asigura rezistența la uzură. În aceste cazuri, se aplică o temperare a suprafeței, încălzind rapid straturile de suprafață ale probei (prin intermediul unei lanterne oxiacetilenice sau prin inducție electromagnetică) și aplicând o răcire ulterioară aerului sau apei.


    Activitatea 4.6
    Reconectat. Caracteristici și obiectiv.

    Obiectivul principal al recoacerii este de a înmuia oțelul prin eliminarea posibilelor tensiuni sau anomalii interne din structura sa care ar putea fi originate ca urmare a unui tratament anterior (forjare, laminare etc.), care întărește materialul.


    Recocirea scade duritatea și mărește plasticitatea unui oțel, astfel încât acesta să poată fi deformat și lucrat mai ușor.


    În general, constă în încălzirea la o temperatură ridicată, peste temperatura AC3 și răcirea lentă. Răcirea (între 50 și 100 o C/h) se realizează într-un cuptor în care temperatura este reglată până când materialul ajunge la temperatura camerei.


    Activitatea 4.7
    Temperare. Caracteristici și obiectiv.

    Temperarea se aplică atunci când doriți să creșteți rezistența și ductilitatea oțelurilor care au fost supuse stingerii. Tratamentul constă în încălzirea martensitei sub 723 o C și răcirea ulterioară în aer, în ulei sau în apă, în funcție de compoziția oțelului. În acest fel, este posibil să se mărească rezistența și să se înmoaie oțelul întărit prin reducerea tensiunilor sale interne. Temperarea duce la scăderea durității, rezistenței mecanice și a limitei elastice.


    Activitatea 4.8
    Normalizat. Caracteristici și obiectiv.

    Normalizarea oțelului constă în încălzirea la temperatura de austenitizare și răcirea în aer liber la o viteză mai mică decât temperarea, dar mai rapidă decât recoacerea.


    Obiectivul standardizării este de a produce un oțel mai dur și mai rezistent decât cel obținut prin răcirea mai lentă, într-un cuptor, atunci când îl supunem la recoacere. Normalizarea se aplică și după deformarea unui oțel, fie rece, fie fierbinte, pentru a elimina eventualele tensiuni interne cauzate de deformare. Un alt obiectiv al standardizării este de a reduce dimensiunea boabelor de oțel pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice ale acestui oțel.

    Activitatea 4.9
    Descrieți semnificația fiecăreia dintre următoarele imagini.

    Cele patru grafice reprezintă temperatura versus timp, o reprezentare caracteristică a oricărui tratament termic al oțelurilor.


    În graficele i, ii și iv, o probă de oțel este încălzită până la transformarea sa totală în austenită (temperatura mai mare decât AC3), menținându-se așa pentru un anumit timp. Ulterior există o răcire a eșantionului: foarte lent în graficul i, foarte rapid în graficul ii și o răcire intermediară în ultimul grafic.


    Graficul i reprezintă tratamentul termic al recoacerii. Graficul ii reprezintă temperatul, iar graficul iv reprezintă normalul.


    Graficul iii arată o încălzire a probei sub temperatura de austenitizare și răcirea ulterioară la o temperatură mai lentă decât temperarea, dar mai rapidă decât recoacerea. Reprezintă tratamentul de călire.