Podstawy obróbki cieplnej stali i żeliwa
Spis treści
Obróbka cieplna to zbiór działań, których celem jest zmiana struktury stopu w stanie stałym, a przez to uzyskanie pożądanych właściwości mechanicznych, fizycznych lub chemicznych. W praktyce oznacza to, że nie „poprawiamy” metalu przez sam fakt jego podgrzania, lecz przez to, że odpowiednio zaplanowany przebieg temperatury w czasie uruchamia przemiany strukturalne: powstawanie nowych faz, rozpad faz nietrwałych, zmianę wielkości ziarna, a także wydzielanie węglików czy usuwanie naprężeń własnych. Obróbka cieplna obejmuje zarówno proste zabiegi polegające na nagrzaniu i chłodzeniu, jak i bardziej złożone procesy łączone z oddziaływaniem chemicznym środowiska, odkształceniem plastycznym czy polem magnetycznym.
Znaczenie obróbki cieplnej szczególnie dobrze widać na przykładzie stali i żeliwa. Żelazo jako materiał bazowy jest powszechne, tanie i łatwe w przeróbce, ale dopiero możliwość sterowania jego strukturą sprawia, że zakres zastosowań stali jest tak szeroki. Kluczową rolę odgrywa tu fakt istnienia odmian alotropowych żelaza: w różnych temperaturach stabilne są różne odmiany struktury krystalicznej, co daje możliwość wytwarzania i „zamrażania” odmiennych mikrostruktur zależnie od tego, jak szybko chłodzimy materiał i czy wykonujemy dodatkowe wygrzewania. To dlatego stal może być jednocześnie materiałem na sprężyny, narzędzia tnące, elementy maszyn czy konstrukcje nośne – a różnice w zachowaniu wynikają nie tyle z „samego składu”, ile z mikrostruktury uzyskanej w obróbce cieplnej.
Współczesny przemysł podnosi wymagania wobec materiałów, a to wymusza rozwój metod obróbki cieplnej oraz większą kontrolę jakości. Nawet drobne błędy – zbyt wysoka temperatura austenityzowania, za krótki czas wygrzewania, nieodpowiednie chłodzenie – potrafią spowodować niepożądane struktury (np. zbyt grube ziarno), a w efekcie pogorszyć własności użytkowe wyrobu. Stąd obróbka cieplna nie jest „dodatkiem” do technologii wytwarzania, tylko jednym z jej krytycznych etapów.
Związek między układami równowagi fazowej a obróbką cieplną
Układy równowagi fazowej opisują, jakie fazy są stabilne w danych warunkach temperatury i składu, ale robią to w założeniu bardzo wolnych przemian, czyli takich, w których czas nie ogranicza dyfuzji i układ ma szansę osiągnąć równowagę. Z tego powodu diagram równowagi sam w sobie nie uwzględnia wpływu szybkości nagrzewania i chłodzenia. Mimo tego, układy równowagi stanowią podstawę do planowania obróbki cieplnej, bo wskazują, jakie przemiany są w ogóle możliwe oraz w jakich zakresach temperatur należy się ich spodziewać.
To rozróżnienie jest bardzo praktyczne. Jeżeli stop nie wykazuje przemian w stanie stałym (na wykresie nie ma obszarów, w których w stanie stałym pojawia się inna faza lub mieszanina faz), to taki stop zasadniczo nie daje się obrabiać cieplnie w klasycznym sensie, ponieważ nie ma „mechanizmu” do zmiany struktury. Inaczej jest w układach, gdzie rozpuszczalność składnika w stanie stałym zależy od temperatury. Wtedy możliwe jest uzyskanie roztworu przesyconego przez szybkie chłodzenie z temperatury, w której rozpuszczalność jest duża, a następnie wymuszenie wydzieleń podczas ponownego podgrzania. Taki schemat prowadzi do celowej zmiany struktury i własności.
Jeszcze inna sytuacja występuje w stopach doznających przemian alotropowych w stanie stałym: w wysokiej temperaturze stabilna jest jedna faza (np. roztwór stały o innej sieci), a po przekroczeniu temperatur krytycznych układ dąży do powstania mieszaniny innych faz. Wtedy samo to, jak szybko przechodzimy przez zakres przemian, ma fundamentalne znaczenie, bo przy wolnym chłodzeniu dyfuzja nadąża i powstają struktury równowagowe, a przy szybkim – możliwe są struktury nierównowagowe, takie jak martenzyt.
Dla stali kluczowy jest fragment układu równowagi żelazo–cementyt (Fe–Fe₃C) do około 2,11% węgla, czyli zakres istotny dla stali. To właśnie z niego wynika sens austenityzowania (nagrzewania do obszaru austenitu) oraz to, że podczas chłodzenia austenit może przechodzić w różne struktury zależnie od szybkości chłodzenia. Układ równowagi mówi nam, „co jest możliwe” i „gdzie leżą temperatury krytyczne”, a kinetyka przemian (czas i chłodzenie) decyduje, „co faktycznie otrzymamy”.
Nagrzewanie, wygrzewanie i chłodzenie
Każdy zabieg obróbki cieplnej można traktować jako scenariusz zmian temperatury w czasie, w którym da się wyróżnić trzy główne etapy: nagrzewanie, wygrzewanie i chłodzenie. Nagrzewanie polega na podnoszeniu temperatury do wartości przewidzianej dla danego procesu. Często stosuje się nagrzewanie stopniowe: najpierw podgrzewanie do temperatury niższej, a dopiero potem dogrzewanie do temperatury właściwej. Taki podział nie jest sztuczny – ma znaczenie technologiczne, bo ogranicza gradienty temperatury w przekroju elementu i zmniejsza ryzyko pęknięć czy nadmiernych naprężeń.
Wygrzewanie to utrzymanie temperatury na poziomie docelowym przez czas potrzebny do wyrównania temperatury w całym przekroju oraz do zajścia zamierzonych przemian. W praktyce wygrzewanie ma podwójny sens: z jednej strony element musi „dojść” cieplnie do temperatury (inaczej powierzchnia i rdzeń będą w innych stanach), z drugiej strony wiele przemian – zwłaszcza dyfuzyjnych – wymaga czasu, żeby doprowadzić do ujednorodnienia składu faz lub do rozpuszczenia pewnych składników (np. węglików).
Chłodzenie to obniżanie temperatury do temperatury otoczenia lub do określonej wartości pośredniej. Wolne chłodzenie, np. w piecu lub w spokojnym powietrzu, nazywa się studzeniem, natomiast szybkie chłodzenie w wodzie lub oleju – oziębianiem. Często spotyka się też chłodzenie stopniowe, gdzie występuje podchładzanie do temperatury wyższej niż końcowa oraz dochładzanie do temperatury końcowej. Taki sposób sterowania bywa potrzebny, gdy chcemy przejść przez pewne zakresy temperatur wolniej (żeby umożliwić dyfuzję) albo szybciej (żeby uniknąć dyfuzyjnych przemian perlitycznych i uzyskać martenzyt).
Ponieważ istotą obróbki cieplnej jest związek temperatury z czasem, opisuje się ją krzywą t = f(τ). W praktyce mówi się o średniej szybkości nagrzewania i chłodzenia, ale równie ważna jest rzeczywista, chwilowa szybkość, bo to ona decyduje, jak szybko przechodzimy przez krytyczne zakresy temperatur. Z tego powodu dwa procesy o „podobnym czasie całkowitym” mogą dać inne wyniki, jeśli różnią się przebiegiem chłodzenia w newralgicznych przedziałach.
Klasyfikacja obróbki cieplnej
Podział obróbki cieplnej nie jest czysto „encyklopedyjny” – wynika z tego, jakie narzędzia stosujemy do zmiany właściwości. W obróbce cieplnej zwykłej uzyskuje się pożądane cechy przez zmianę struktury bez zmiany składu chemicznego. To obejmuje klasyczne procesy, takie jak wyżarzanie, hartowanie czy odpuszczanie, ale także przesycanie i starzenie, gdy mechanizm polega na uzyskaniu roztworu przesyconego i późniejszych wydzieleniach.
W obróbce cieplno-chemicznej oprócz temperatury działa środowisko chemiczne, które powoduje nasycanie powierzchni pierwiastkami takimi jak węgiel czy azot. Efektem jest zmiana składu w strefie przypowierzchniowej, a więc i zmiana struktury oraz własności, zwłaszcza odporności na zużycie lub zmęczenie. To ważne rozróżnienie: w obróbce cieplnej zwykłej „pracujemy” na tym, co już jest w stopie, a w cieplno-chemicznej dodatkowo dostarczamy składnik.
Z kolei obróbka cieplno-plastyczna łączy temperaturę z odkształceniem plastycznym, co pozwala wpływać na strukturę w sposób bardziej złożony, np. przez rozdrobnienie ziarna i wzmocnienie mechaniczne. Obróbka cieplno-magnetyczna wykorzystuje pole magnetyczne dla uzyskania określonych właściwości fizycznych. W kontekście stali i podstaw obróbki cieplnej najczęściej punktem ciężkości pozostaje jednak obróbka cieplna zwykła, bo to ona bezpośrednio wiąże się z przemianami austenitu i produktami jego rozpadu.
Przemiany przy nagrzewaniu
W obróbce cieplnej stali etap nagrzewania nie sprowadza się do „rozgrzania elementu”. Jego sensem jest doprowadzenie do uzyskania struktury austenitycznej, bo to austenit jest punktem wyjścia do wielu późniejszych struktur po chłodzeniu. Po osiągnięciu temperatury krytycznej A₁ (około 727°C) zachodzi podstawowa przemiana: perlit przechodzi w austenit. Następnie przebieg nagrzewania zależy od tego, czy stal jest podeutektoidalna, eutektoidalna czy nadeutektoidalna. W stalach podeutektoidalnych po powstaniu austenitu z perlitu w miarę dalszego nagrzewania także pozostały ferryt przechodzi w austenit i proces kończy się na temperaturze Ac₃. W stalach nadeutektoidalnych po przemianie perlitu w austenit rozpuszcza się w austenicie cementyt wtórny, a proces trwa do temperatury Ac_cm. W obu przypadkach celem jest uzyskanie możliwie jednorodnego austenitu.
Sama przemiana perlitu w austenit ma wyraźną „wewnętrzną” strukturę procesu. Zaczyna się od powstania zarodków austenitu na granicach ferrytu i cementytu, a następnie zarodki rozrastają się, wypełniając ziarna perlitu. Równolegle zachodzi rozpuszczanie cementytu w austenicie. Co ważne, przemiana alotropowa żelaza zachodzi szybciej niż pełne rozpuszczenie węglików, dlatego w pewnym momencie możemy mieć austenit, który wciąż zawiera resztki węglików, a ponadto jest chemicznie niejednorodny. Dopiero z czasem następuje ujednorodnienie przez dyfuzję węgla. W efekcie materiał wyróżnia etapy: powstanie niejednorodnego austenitu, rozpuszczenie resztek węglików i dopiero potem pełne ujednorodnienie.
Ogromne znaczenie ma też szybkość nagrzewania. W warunkach bardzo wolnego nagrzewania przemiana zaczyna się blisko 727°C, ale przy szybszym nagrzewaniu przesuwa się ku wyższym temperaturom. To oznacza, że w praktyce technologicznej nie wystarczy znać „książkowych” temperatur krytycznych – trzeba brać pod uwagę, że rzeczywisty zakres przemiany zależy od kinetyki oraz od mikrostruktury wyjściowej. Na szybkość austenityzowania wpływa również dyspersja perlitu i postać cementytu, a także skład chemiczny stali, w tym dodatki stopowe.
Wielkość ziarna w stali
W stali rozróżnia się ziarno pierwotne (po zakrzepnięciu) oraz ziarno wtórne, czyli rzeczywiste – ostatnie ziarno austenitu uformowane w wyniku obróbki cieplnej i plastycznej. To ziarno rzeczywiste jest kluczowe dla własności, zwłaszcza dla udarności. Materiał o strukturze gruboziarnistej po chłodzeniu ma tendencję do kruchości i niskiej udarności, dlatego w technologii dąży się do uzyskania drobnego ziarna austenitu, a następnie do „przeniesienia” tej drobnoziarnistości na strukturę po chłodzeniu.
Warto zauważyć mechanizm zmian ziarna przy nagrzewaniu. Sama przemiana perlitu w austenit sprzyja rozdrobnieniu, ale dalsze wygrzewanie w wysokiej temperaturze powoduje rozrost ziarn austenitu, ponieważ metal dąży do zmniejszenia energii granic ziarn. Im wyższa temperatura nagrzania i dłuższy czas wygrzewania, tym większy rozrost ziarna. To tłumaczy, czemu „zbyt gorące i zbyt długo” bywa destrukcyjne: nawet jeśli uzyskamy pełny austenit, to może on stać się gruboziarnisty, co pogarsza odporność na pękanie.
W tym kontekście pojawia się pojęcie przegrzewności, czyli skłonności ziarna austenitu do rozrostu pod wpływem temperatury i czasu. W praktyce mówi się o stalach drobnoziarnistych i gruboziarnistych nie w znaczeniu „jakie ziarno akurat mają”, lecz w znaczeniu „jak łatwo to ziarno rośnie podczas austenityzowania”. Stal nominalnie drobnoziarnista może mieć grube ziarno, jeśli została przegrzana; i odwrotnie, stal o większej skłonności do rozrostu może dać drobne ziarno przy odpowiednio dobranej temperaturze. To ważne, bo uczy ostrożności: nazwa stali nie zwalnia z kontroli temperatury i czasu.
Materiał wskazuje również rolę dodatków takich jak aluminium, które przez tworzenie tlenków lub azotków mogą hamować rozrost ziarna. Z technologicznego punktu widzenia przekłada się to na większą tolerancję procesu: stale mniej skłonne do przegrzania mają szerszy bezpieczny zakres temperatur hartowania i mniejsze ryzyko pogorszenia udarności wskutek przypadkowego przegrzania.
Kinetyka przemiany austenitu
Po austenityzowaniu kluczowe pytanie brzmi: co stanie się z austenitem podczas chłodzenia? Poniżej 727°C austenit staje się fazą nietrwałą i dąży do przejścia w struktury o niższej energii swobodnej, takie jak perlit. Jednak przebieg przemiany zależy od dwóch przeciwstawnych czynników. Z jednej strony większe przechłodzenie zwiększa „napęd” termodynamiczny przemiany, z drugiej strony obniżenie temperatury spowalnia dyfuzję, bez której przemiany perlityczne nie mogą zachodzić sprawnie. W efekcie szybkość przemiany rośnie do pewnego maksimum (około 550°C), a następnie maleje przy dalszym spadku temperatury, aż do zakresu, w którym dyfuzja jest praktycznie „zamrożona” i pojawiają się przemiany bezdyfuzyjne.
Żeby opisać to ilościowo i czytelnie, stosuje się wykresy przemian austenitu. W warunkach izotermicznych, gdy austenit szybko przechładza się do stałej temperatury i tam wytrzymuje, obserwuje się charakterystyczny okres, w którym nic się nie dzieje – to okres inkubacyjny (trwałość austenitu). Dopiero po nim rozpoczyna się przemiana i postępuje do końca. Jeżeli wykonamy takie doświadczenia dla różnych temperatur i naniesiemy czasy początku i końca przemiany, otrzymamy wykres CTPi (czas–temperatura–przemiana izotermiczna) z krzywymi w kształcie litery C. Odległość między krzywą początku i końca mówi o szybkości przemiany w danym zakresie temperatur.
Wykresy izotermiczne pozwalają wyróżnić trzy główne zakresy: przy temperaturach bliskich A₁ zachodzi przemiana perlityczna o dużej trwałości austenitu; w zakresie średnich temperatur (mniej więcej 550–200°C) pojawia się bainit; a poniżej linii Ms zanikają krzywe dyfuzyjne, bo zaczyna się przemiana martenzytyczna o innym mechanizmie. Ten obraz jest fundamentalny, bo pokazuje, że „austenit” nie jest jedną drogą przemiany – to punkt startowy, z którego można dojść do różnych struktur zależnie od ścieżki chłodzenia.
Przemiana perlityczna
Przemiana perlityczna jest procesem dyfuzyjnym. Rozpoczyna się zwykle od pojawienia się zarodków cementytu na granicach ziarn austenitu, po czym dzięki dyfuzji węgla cementyt rozrasta się w płytki, a austenit zubożony w węgiel przechodzi w ferryt. Powtarzanie tego mechanizmu prowadzi do powstania naprzemiennych pasemek ferrytu i cementytu, czyli do struktury perlitu. W jednym ziarnie austenitu powstaje zwykle kilka kolonii perlitycznych, a ich geometria i drobność zależą od temperatury przemiany.
Kluczową konsekwencją kinetyki jest to, że wraz ze wzrostem przechłodzenia rośnie liczba zarodków i szybkość krystalizacji produktów przemiany, ale równocześnie maleje możliwość dalekiej dyfuzji. W rezultacie powstaje perlit o coraz mniejszym odstępie międzypłytkowym – od perlitu grubopasemkowego przy temperaturach bliskich A₁ do perlitu bardzo drobnego przy niższych temperaturach przemiany. Ta zmiana mikrostruktury ma bezpośrednie przełożenie na właściwości: im drobniejszy perlit, tym wyższa twardość i wytrzymałość, ale zwykle kosztem plastyczności. Materiał podaje orientacyjnie, że perlit powstający około 700°C może mieć twardość rzędu ~220 HB, natomiast w okolicy 500°C powstaje perlit bardzo drobny o znacznie większej twardości.
Dla stali podeutektoidalnych i nadeutektoidalnych ważne jest, że w pewnych warunkach przed przemianą perlityczną może zachodzić wydzielanie ferrytu (podeutektoidalne) albo cementytu wtórnego (nadeutektoidalne). Jednak wraz ze wzrostem przechłodzenia ten etap może zanikać, a przemiana może przebiegać bardziej „bezpośrednio”, co wiąże się z obserwowanym poszerzaniem zakresów, w których powstają struktury o charakterze perlitycznym bez wyraźnej siatki ferrytu lub cementytu.
Przemiana martenzytyczna
Poniżej temperatury Ms przemiana austenitu zachodzi w zupełnie inny sposób, ponieważ dyfuzja węgla jest praktycznie zahamowana. Wtedy nie powstają produkty wymagające rozdziału węgla na ferryt i cementyt, tylko następuje bezdyfuzyjna przebudowa sieci krystalicznej żelaza. Austenit przechodzi w martenzyt bez zmiany średniej zawartości węgla w roztworze stałym, co oznacza, że martenzyt jest przesyconym roztworem węgla w żelazie α. To przesycenie zniekształca sieć do postaci tetragonalnej, a właśnie to zniekształcenie odpowiada za bardzo wysoką twardość martenzytu, ale równocześnie za jego kruchość.
Ważną, często pomijaną konsekwencją przemiany martenzytycznej jest zmiana objętości. Z produktów przemiany austenitu martenzyt ma największą objętość właściwą. W praktyce oznacza to, że hartowanie wiąże się z ryzykiem powstawania znacznych naprężeń, odkształceń, a nawet pęknięć, szczególnie w elementach o złożonej geometrii. Materiał przywołuje obserwacje dylatometryczne, gdzie widać charakterystyczne zmiany objętości związane z przemianami podczas nagrzewania i chłodzenia.
Martenzyt powstaje bez okresu inkubacyjnego: po przekroczeniu Ms przemiana zaczyna się natychmiast, a wzrost ilości martenzytu zachodzi przez tworzenie się nowych płytek (igieł), a nie przez rozrost istniejących. Bardzo istotne jest też, że przemiana kończy się w temperaturze Mf, ale mimo tego część austenitu może pozostać nieprzemieniona jako austenit szczątkowy. Jego ilość zależy mocno od zawartości węgla – przy wyższych zawartościach węgla rośnie udział austenitu szczątkowego po hartowaniu, co wpływa na twardość i stabilność wymiarową.
Przemiana bainityczna
W pośrednim zakresie temperatur (dla stali węglowych orientacyjnie między ok. 550°C a 200°C) zachodzi przemiana bainityczna, która łączy cechy przemian dyfuzyjnych i bezdyfuzyjnych. W tych temperaturach dyfuzja węgla w austenicie jest już bardzo mała, ale nie zerowa. Z austenitu powstają płytki ferrytu przesyconego węglem, po czym – ponieważ dyfuzja węgla w ferrycie jest większa niż w austenicie – z przesyconego ferrytu wydzielają się węgliki (cementyt). W rezultacie bainit jest mieszaniną ferrytu i węglików, przy czym ich rozdrobnienie rośnie wraz ze spadkiem temperatury przemiany.
Rozróżnia się bainit górny (powstający w wyższych temperaturach tego zakresu) oraz bainit dolny (w niższych temperaturach), które różnią się morfologią i twardością. W materiale podano orientacyjne wartości, że bainit górny może mieć twardość około 45 HRC, a dolny około 55 HRC, co pokazuje jego „pozycję” pomiędzy typowym perlitem a martenzytem. Dodatkowo wskazano, że w stalach węglowych zakresy perlityczny i bainityczny mogą się częściowo nakładać, co prowadzi do struktur mieszanych.
Przemiana austenitu przy chłodzeniu ciągłym
Choć wykresy izotermiczne są bardzo pouczające, większość rzeczywistych procesów technologicznych przebiega przy chłodzeniu ciągłym, a nie izotermicznym. Dlatego konstruuje się wykresy CTPc (czas–temperatura–przemiana dla chłodzenia ciągłego), które uwzględniają fakt, że temperatura spada w czasie, a materiał „przecina” różne zakresy przemian. Takie wykresy są szczególnie przydatne, bo pozwalają bezpośrednio porównywać krzywe chłodzenia z liniami przemian i przewidywać, jaka struktura powstanie w konkretnym procesie.
Przy bardzo wolnym chłodzeniu przemiany przebiegają zbliżone do równowagowych: w stalach podeutektoidalnych najpierw wydziela się ferryt (od Ar₃), a następnie w Ar₁ zachodzi przemiana perlityczna. Wraz ze wzrostem szybkości chłodzenia temperatury przemian obniżają się, a niektóre etapy mogą zanikać, np. wcześniejsze wydzielanie ferrytu przed perlitem może stopniowo znikać, prowadząc do bardziej jednorodnej struktury perlitycznej. Dalszy wzrost szybkości chłodzenia przesuwa układ w kierunku bainitu, a przy jeszcze większych szybkościach pojawiają się struktury bainitowo-martenzytyczne, aż wreszcie przy odpowiednio dużej szybkości możliwe jest uzyskanie niemal wyłącznie martenzytu.
W tym miejscu pojawia się pojęcie krytycznej szybkości chłodzenia – minimalnej szybkości, przy której uzyskuje się jednorodną strukturę martenzytyczną (oczywiście z pewnym udziałem austenitu szczątkowego). To pojęcie jest praktyczne: mówi, czy dany element da się zahartować „na wskroś” w danym ośrodku chłodzącym i przy danych wymiarach. Wykresy CTPc, zwłaszcza gdy zawierają naniesione krzywe chłodzenia i odpowiadające im twardości, pozwalają wprost czytać, jaki udział faz (np. ferrytu, bainitu, martenzytu) otrzymamy dla konkretnego przebiegu chłodzenia.
Odpuszczanie
Martenzyt jest fazą nietrwałą, a stal zahartowana – choć bardzo twarda – bywa zbyt krucha i pełna naprężeń wewnętrznych. Odpuszczanie jest więc procesem, który wykorzystuje kontrolowane nagrzewanie zahartowanej stali do wyższych temperatur w celu uruchomienia przemian w martenzycie. Kluczowe jest to, że odpuszczanie nie jest jednym zjawiskiem, tylko sekwencją etapów zależnych od temperatury. Materiał wyróżnia cztery zasadnicze stadia, które różnią się tym, jakie węgliki się wydzielają, jak zmienia się zawartość węgla w martenzycie i kiedy zachodzą przemiany austenitu szczątkowego.
W niskich temperaturach odpuszczania (rzędu 80–200°C) zachodzi pierwsze stadium, związane z wydzieleniem węglika ε. To może nawet chwilowo podnieść twardość w stalach wysokowęglowych, co jest ważną, nieintuicyjną obserwacją: nie zawsze „odpuszczanie = zmiękczanie” od pierwszej minuty. Następnie w zakresie ok. 200–300°C zachodzi dalsze wydzielanie węglika ε oraz dyfuzyjna przemiana austenitu szczątkowego w strukturę o charakterze bainitycznym. W zakresie ok. 300–400°C dochodzi do przekształcenia węglika ε w cementyt i do osiągania stanu bliższego równowagi; powstaje wtedy martenzyt odpuszczony. W wyższych temperaturach (około 400–650°C) zachodzi koagulacja cementytu, usuwanie naprężeń i powstaje struktura nazywana sorbitem, o korzystniejszym kompromisie własności.
Z technologicznego punktu widzenia sens odpuszczania polega na tym, że wraz ze spadkiem twardości rośnie plastyczność i udarność. Materiał podkreśla, że optimum właściwości mechanicznych często uzyskuje się przy odpuszczaniu w zakresie około 600–650°C, a dalej wzrost plastyczności nie jest już tak wyraźny. Dodatkowo istotne jest rozróżnienie między strukturami o podobnej twardości, ale różnej morfologii cementytu: perlit drobny i struktura po odpuszczaniu martenzytu mogą wyglądać podobnie i mieć zbliżoną twardość, ale różnią się kształtem węglików i tym samym pewnymi własnościami, np. granicą plastyczności czy przewężeniem.
Wpływ obróbki cieplnej na właściwości stali
Hartowanie prowadzi do uzyskania martenzytu, a więc do wysokiej twardości, której wzrost jest związany ze wzrostem zawartości węgla. Materiał wskazuje, że do pewnego poziomu zawartości węgla (około 0,7%) wzrost twardości martenzytu jest szczególnie silny, a potem przyrosty są mniejsze. Jednocześnie w stalach nadeutektoidalnych zahartowanych z bardzo wysokich temperatur może pojawiać się większy udział austenitu szczątkowego, co potrafi zmieniać obserwowaną twardość oraz zachowanie stali.
Odpuszczanie zmienia ten obraz: niskie temperatury mogą dać drobne efekty umocnienia w stalach wysokowęglowych, ale generalnie wzrost temperatury odpuszczania prowadzi do spadku twardości i wytrzymałości oraz do wzrostu plastyczności i udarności. Co istotne, nie chodzi tu o „magiczne działanie temperatury”, tylko o bardzo konkretne przemiany: wydzielanie węglików z martenzytu, spadek tetragonalności, przejście węglików w cementyt oraz ich koagulację. To mikrostruktura – a dokładniej postać i rozmieszczenie węglików oraz stan roztworu stałego – odpowiada za obserwowane właściwości.
Porównanie struktur perlitycznych i struktur uzyskanych przez odpuszczanie martenzytu jest szczególnie pouczające. Choć mogą mieć podobną twardość i podobny „ogólny” wygląd, cementyt w perlicie ma postać pasemek, natomiast w strukturach po odpuszczaniu martenzytu częściej ma postać bardziej ziarnistą (globularną). Materiał zaznacza, że przy tej samej twardości wytrzymałość na rozciąganie i wydłużenie mogą być podobne, ale granica plastyczności i przewężenie bywają korzystniejsze dla struktur po odpuszczaniu. To wyjaśnia, dlaczego ulepszanie cieplne (hartowanie + odpuszczanie) jest tak popularne: daje zestaw własności trudny do uzyskania samym chłodzeniem do perlitu.
Teoretyczne podstawy obróbki cieplnej stali i żeliwa – podsumowanie
Teoretyczne podstawy obróbki cieplnej stali sprowadzają się do zrozumienia, że proces jest sterowaniem drogą przemian austenitu. Układ równowagi Fe–Fe₃C wskazuje obszary faz i temperatury krytyczne, a kinetyka mówi, które przemiany zdążą zajść przy danej szybkości chłodzenia. Wykresy CTPi i CTPc pokazują, gdzie austenit jest trwały, gdzie rozpada się na perlit lub bainit, a gdzie przechodzi bezdyfuzyjnie w martenzyt. Z kolei odpuszczanie porządkuje stan zahartowany: usuwa naprężenia i zmienia postać węglików, prowadząc do własności użytkowych potrzebnych w praktyce.
W tym sensie obróbka cieplna nie jest zestawem „przepisów”, tylko logiczną konsekwencją zależności: temperatura + czas + szybkość chłodzenia → mikrostruktura → właściwości. Im lepiej rozumiemy tę zależność, tym pewniej możemy dobierać parametry technologiczne, minimalizować ryzyko wad i świadomie kształtować materiał pod wymagania konstrukcyjne.
