TRANSFORMACIJA AVSTENITA

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 – Fe3 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).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(γ ?α) 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.

 Zgradba in lastnosti struktur

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.