strana 1

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

METALURGIJA

ČELIKA

PART 4

..: Definicija čelika

..: Dijagram stanja, Černov 1868.

..: Hemijski čisto ţeljezo, kriva hlaĎenja

..: Tehničko ţeljezo

..: Ugljenik i cementit

..: Legura Fe – Fe3C

..: Strukture kod čelika

..: Ferit

..: Astenit

..: Perlit

..: Brzo hlaĎenje, Martenzit

..: Uticaj ugljenika na svojstva čelika

..: Uticaj legirajućih elemenata

..: Termička obrada

..: Termohemijska obrada

strana 2

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Metalurgija čelika

Legura

sadrţi do 2.14% ugljenika

ugljenik hemijski vezan u cementit Fe3C

Dijagram stanja

sistema ţeljezo – ugljenik

D.K. Černov, 1868.

Struktura čelika

Čelik

strana 3

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Metalurgija čelika

Hemijski čisto željezo Fe

U prirodi – rude ţeljeza

Fe u gotovo čistom obliku

je poznat kao ingot ţeljeza

Ingot ţeljeza sastoji se od

0.012 %C

0.017 %Mn

0.005 %P

0.025 %S

u tragovima Si

Dobra tehnološka svojstva

Loša mehanička svojstva

Nema praktičnu primenu

Fe je polimorfno

Više alotropskih modifikacija

t

T [oC]

1600

1400

1000

1200

800

600

400

1536

1392

911

768

R

Ar

Ar4

Ar3

Ar2

R → δ – Fe

δ – Fe → γ – Fe

γ – Fe → α – Fe γ – Fe

δ – Fe

α – Fe nemag

α – Fe mag

BCC

FCC

BCC

3200

strana 4

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Metalurgija čelika

Čisto Fe nije za tehničku upotrebu

Susrećemo Fe legirano sa

..: metalima

Mn, Ni, Cr, Cu, W, Mo, Ti i dr.

..: nemetalima

C, Si, S, P

..: nepoţeljni elementi

O, H, N

Legirajući elementi drastično menjaju

osobine ţeljeza

Tehničko željezo

strana 5

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

C se rastvara u Fe

u tečnom stanju – neograničeno

u čvrstom stanju – ograničeno (do 2.14%)

Fe i C stvaraju čvrste rastvore tipa popune (α, γ, δ kristali)

FeC – ugljenik izdvojen u grafit, stabilan sistem, veoma sporim hlaĎenjem

Fe3C – nema slobodnog ugljenika, nestabilan sistem, umerenim hlaĎenjem

Grafit je jedna od alotropskih modifikacija ugljenika

Kristalna rešetka – heksagonalni sistem

Metalurgija čelika

Ugljenik C

Cementit Fe3C

Najvaţniji od karbida ţeljeza

Sadrţi 6.67 %C i 93.33 %Fe

Kristalna rešetka – rombičan sistem

Vrlo tvrd (800HB) i vrlo krt, niske zatezne čvrstoće

Moţe da rastvara druge elemente Mn, Cr, W ...

strana 6

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Legura Fe – Fe3C

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

strana 7

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Metalurgija čelika

Intersticijski čvrst rastvor ugljenika u rešetki α – Fe

Prostorno centrirana kubna rešetka BCC

Vrlo mala rastvorljivost ugljenika

Od lat. „ferrum“ – ţeljezo

Rastvara do 0.02 %C na 727 0C

↓T → ↓%C, 0.006 %C na 20 0C

Tvrdoća 70 – 90 HB

Niske ţilavosti, mek i plastičan

Magnetičan je do 768 0C

Moţe da rastvara i druge elemente,

Si, Ni, Mn, Cr

čvrst rastvor tipa zamene

Ferit

strana 8

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Metalurgija čelika

Intersticijski čvrst rastvor ugljenika u rešetki γ – Fe

Površinski centrirana kubna rešetka FCC

Rastvara do 2.14 %C na 1148 0C

Nestabilan na sobnoj temperaturi

Uz legirajuće elemente se stabilizuje, Mn, Ni ...

Moţe da rastvara i druge elemente,

čvrst rastvor tipa supstitucije

Tvrdoća 170 – 200 HB

Visoke ţilavosti

Nemagnetičan je

Austenit

WC Roberts-Austen

1843 – 1902

strana 9

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Metalurgija čelika

Mehanička smeša (dvo – fazna, slojevita) ferita i cementita

88 %Fe, 12 %Fe3C

Eutektoid, eutektoidnom reakcijom (S1 → S2 + S3)

iz austenita sa 0.8 %C

Cementit u vidu lamela ili kuglica (lamelarni, zrnasti)

Zrnasti ..: veća ţilavost, manja tvrdoća

Tvrdoća 160 – 300 HB

Perlit

strana 10

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Perlit

+

Ferit α

1000

200

400

600

800

0.5 1.0 1.5 2.0 % C

T [oC]

0.008

Perlit

+

Fe3CII

Austenit γ

+

Ferit α

Austenit γ

+

Fe3CII

912

E

S

G

P

Q

Ferit α

+

Fe3CIII

2.14 0.8 0.02

727

1148

Ferit α

Metalurgija čelika

Austenit γ

PERLIT

eutektoidna struktura

strana 11

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Šta se dešava kod brzog hlaĎenja?

Metalurgija čelika

Katana izloţena u Okayama Castle

Stvaranje ferita i cementita

zahteva vreme za difuziju C iz rešetke

Fazni dijagram postaje nevaţeći

Formirju se metastabilne faze

Kristalna rešetka iz FCC (austenit) u

BCC (ferit), ali nema vremena ...

Višak ugljenika → promena BCC →

prostorna tetragonalna BCT

Ima identičan hem. sastav sa

austenitom

Feritna struktura prezasićena C

Manja gustina, veća zapremina

Visoka tvrdoća i čvrstoća, veoma krt

Velika otpornost na smicanje

strana 12

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Šta se dešava kod brzog hlaĎenja?

Metalurgija čelika

TTT dijagram

time – temperature – transformation

Transformacija strukture

izotermno hlaĎenje

Samo za odreĎen hem. sastav

Termička obrada (kaljenje)

Dijagram izotermalne transformacije Zavisnost početne i krajnje temp.

nastajanja martenzita od %C

strana 13

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Uticaj sadrţaja ugljenika

Metalurgija čelika

strana 14

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Čvrs

toća

Izd

uţe

nje

Ţila

vo

st

Ka

ljivo

st

Po

rast zrn

a

Čvrs

toća u

to

plo

m

Ma

gn

etn

e o

sob

ine

Kritičn

a b

rzin

a h

laĎe

nja

Ko

vn

ost

Ele

ktr

ičn

a o

tpo

rnost

Ta

čka

Ac1

Ta

čka

Ac3

Ga

ma

pod

ručje

Na

sta

janje

ka

rbid

a

Otp

orn

ost p

rem

a o

ksid

aciji

Tra

jna č

vrs

toća

RĎ

an

je

Tvrd

oća

Se

gre

ga

cija

(šte

tna

, p

ri liv

enju

č.)

Ose

tljiv

ost p

rem

a p

reg

reja

va

nju

Otp

orn

ost p

rma

ko

roziji

Po

sto

jano

st ko

d p

op

ušta

nja

Me

ha

nič

ka

ob

radiv

ost

C + + = = + + + + + + - + + + + + + - -

Mn + + - + + + + - + = - + - + + + + + +

Si + + - + + + + + - - + + + + + - + + - + + - + + + +

Al - = + + + - + + + +

Ni + - + + - - = + + = - + - + + - + + + +

Cr + + - + + + + + - + + + + = + + + + + - + - + + + +

Mo + - + + + + - - + + + - + + + - + + + + + +

V + + = + + - + + - + + + + - + = + + + + +

W + - - + + + - + + - + + + - + + + +

Co + - - + + + + - + + + + = + + + + +

Cu + = = - + - + + + +

S + + + + +

P + - - + + + + + - - + + + + + + +

Ti + + - + - + + + + + +

Ta + + + - + + + + + +

Nb + + + - + + + + + +

Uticaj sadrţaja legirajućih elemenata

Metalurgija čelika

http://www.calphad.com/phase_diagrams.html

Fe – Mn fazni dijagram

Fe – Cr fazni dijagram

strana 16

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Konvencionalni tip

Naknadno kaljenje i otpuštanje u peći

Poboljšan tip

Direktno kaljenje i otpuštanje u peći

Napredni tip Direktno kaljenje i otpuštanje na liniji indukcionim zagrevanjem

Termička obrada

Metalurgija čelika

Kaljenje

Ţarenje

Normalizacija

Otpuštanje

Poboljšanje

Gašenje

Zagrevanje i različitim brzinama

radi dobijanja ţeljenih svojstava

strana 17

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Konvencionalni tip

Naknadno kaljenje i otpuštanje u peći

Poboljšan tip

Direktno kaljenje i otpuštanje u peći

Napredni tip Direktno kaljenje i otpuštanje na liniji indukcionim zagrevanjem

Žarenje

• Zagrevanje do određenje temp.

• Zadržavanje na toj temp.

• Kontrolisano hlađenje

Cilj: smanjenje tvrdoće uz poboljšanje

mehaničkih, fizičkih ili tehnoloških osobina

Meko Žarenje

Transformacija do austenita, a

zatim hlađenje takvom brzinom

da se tvrdoća proizvoda približi

minimumu

MeĎu Žarenje

Žarenje jednom ili više puta

tokom proizvodnje i pre finalne

termičke obrade

Rekristalizaciono Žarenje

Žarenje na temperaturi ispod Ac1

da bi se dobila nova zrnasta

struktura bez promene faze

Termička obrada

Metalurgija čelika

Kaljenje

Ţarenje

Normalizacija

Otpuštanje

Poboljšanje

Gašenje

Zagrevanje i različitim brzinama

radi dobijanja ţeljenih svojstava

strana 18

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Konvencionalni tip

Naknadno kaljenje i otpuštanje u peći

Poboljšan tip

Direktno kaljenje i otpuštanje u peći

Napredni tip Direktno kaljenje i otpuštanje na liniji indukcionim zagrevanjem

Termička obrada

Metalurgija čelika

Kaljenje

Ţarenje

Normalizacija

Otpuštanje

Poboljšanje

Gašenje

Normalizacija

Zagrevanje do odgovarajuće temp. iznad

tačke Ac3, a zatim hlađenje na vazduhu

Cilj: dobijanje sitnozrnaste strukture po

celoj zapremini

Napomena: samo kod podeutektoidnih

čelika (izuzetno kod ostalih)

Zagrevanje i različitim brzinama

radi dobijanja ţeljenih svojstava

strana 19

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Konvencionalni tip

Naknadno kaljenje i otpuštanje u peći

Poboljšan tip

Direktno kaljenje i otpuštanje u peći

Napredni tip Direktno kaljenje i otpuštanje na liniji indukcionim zagrevanjem

Termička obrada

Metalurgija čelika

Kaljenje

Ţarenje

Normalizacija

Otpuštanje

Poboljšanje

Gašenje Gašenje

Forsirno hlađenje nerđajućih,

vatrootpornih i nekih drugih vrsta

austenitnih čelika, kao i nekih vrsta čisto

feritnih čelika

Cilj: homogenizacija, postizanje čistih

monofaznih struktura, rastvaranje

karbida

Austenitni čelik minimalne tvrdoće i

maksimalne žilavosti

Zagrevanje i različitim brzinama

radi dobijanja ţeljenih svojstava

strana 20

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Konvencionalni tip

Naknadno kaljenje i otpuštanje u peći

Poboljšan tip

Direktno kaljenje i otpuštanje u peći

Napredni tip Direktno kaljenje i otpuštanje na liniji indukcionim zagrevanjem

Termička obrada

Metalurgija čelika

Kaljenje

Ţarenje

Normalizacija

Otpuštanje

Poboljšanje

Gašenje Kaljenje

• Zagrevanje

iznad Ac3 (podeutektoidni) ili

Ac1 (eutektoidni i podeutektoidni)

• Držanje na toj temp. (Austenitna tr.)

• Brzo hlađenje (voda, ulje, vazduh)

• Austenit u martenzit

po čitavom preseku, površinsko i

kaljenje na dubinu

Cilj: Povećanje tvrdoće

Proizvod je i povećane čvrstoće, ali

smanjene žilavosti

Zagrevanje i različitim brzinama

radi dobijanja ţeljenih svojstava

strana 21

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Konvencionalni tip

Naknadno kaljenje i otpuštanje u peći

Poboljšan tip

Direktno kaljenje i otpuštanje u peći

Napredni tip Direktno kaljenje i otpuštanje na liniji indukcionim zagrevanjem

Termička obrada

Metalurgija čelika

Kaljenje

Ţarenje

Normalizacija

Otpuštanje

Poboljšanje

Gašenje

Otpuštanje

Ponovno zagrevanje kaljenog ili

normalizovanog čelika do temp. ispod

tačke Ac1, zadržavanje, a zatim hlađenje

željenom brzinom.

Nema transformacije strukture.

Cilj:

Smirivanje napona u materijalu

Smanjuje se tvrdoća, povećava žilavost

Zagrevanje i različitim brzinama

radi dobijanja ţeljenih svojstava

strana 22

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Konvencionalni tip

Naknadno kaljenje i otpuštanje u peći

Poboljšan tip

Direktno kaljenje i otpuštanje u peći

Napredni tip Direktno kaljenje i otpuštanje na liniji indukcionim zagrevanjem

Termička obrada

Metalurgija čelika

Kaljenje

Ţarenje

Normalizacija

Otpuštanje

Poboljšanje

Gašenje

Poboljšanje

Kaljenje, a zatim visoko otpuštanje da bi

se poboljšala zatezna čvrstoća i tvrdoća

bez gubitka žilavosti

Hlađenje je postepeno

u peći ili na vazduhu

Zagrevanje i različitim brzinama

radi dobijanja ţeljenih svojstava

strana 23

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Low Pressure Carburising (LPC)

Cementacija u vakuumu

Termo – hemijska obrada

Metalurgija čelika

Hromiranje

Alitiranje

Boriranje

Karbonitriranje

Siliciranje

Cijaniziranje

Promena hemijskog sastava u površinskom sloju

difuzijom legirajućih elemenata i

hemijskom reakcijom

Cementacija

Nitriranje

strana 24

Čelik – Potencijal odrţivog društva

Pastor, Budinski, 2011.

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

Srednja mašinska škola, Novi Sad, Srbija

www.masinskans.edu.rs

PAUZA sledi:

PROIZVODNJA ČELIKA

TEST